海洋石油再用油管磁记忆检测系统.pdf

一 5 8 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 5期 新产品开发 海洋石油再用油管磁记忆检测 系统 郑文培 樊建春 张来斌 温 东 徐振广 孙秉 才 1 ．中国石 油大学 北京 2 ．中海油油建渤海装备技术服务分公 司 摘要 海洋石油再用油管在长期服役后容易失效而 引发井下事 故，因此有 必要对其进行检 测。为此，研制 了海洋石油再用油管磁记忆检测系统。该检测系统 由上下料机构、传输机构、检 测 台、控制系统 、数据采集系统和检测分析软件等组成。传 输机构采用减速 电动机带动 V字形辊 轮的方式，可保证油管传输的稳定性 ；在检测 台上设计 了大、小检测环，可实现多规格油管的检 测；数据采集系统采集 的是油管本身剩磁场 的水平分量，水平分量不影响检测结果 ，因此可实现 无盲区检测。现场应用表明，该系统可检测油管的腐蚀、裂纹 、管体变形等各种缺陷。 关键词 再用油管检测系统磁记忆检测环 无盲 区检测 海洋石油再用油管服役较长时问后易失效而引 发井下事故 ，导致异常停产和被迫修井作业 ，严重 影响采油生产。因此 ，有必要对其进行检测。现有 油管无损检测技术主要有漏磁 、涡流、超声等。这 几种技术只能检测出已出现的缺 陷，无法从油管损 伤的根源 微观缺陷或应力集 中区对其技术状 态做 出早期评定 ，因此难以预防在役油管的疲劳损 坏。磁记忆检测是 2 O世纪 9 0年代后期迅速发展起 来的一种新的无损检测技术 ，主要根据承载铁磁性 材料在地磁场的激励条件下，在应力和变形集中区 域出现的不可逆的特征磁状态变化 ，来确定工件的 微观缺陷或应力集中位置及特征 ，对工件的早期损 伤做出明确判断。它不需专门的磁化设备 ，受提离 效应影响小，工作条件要求低 ，操作快捷 、方便 ， 灵敏度 、重复精度和可靠性高。磁记忆检测技术用 于油管的损伤检测与技术状态评价具有 良好的发展 前景 ，可预防油管失效事故。为此 ，中国石油大学 北京 于 2 0 0 9年 4月研制 了海洋石油再用油管 磁记忆检测系统。 1 磁记忆检测原理及特点 处于地磁场环境下的铁制工件受工作载荷的作 用 ，其 内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定 向和不可逆的取向，并在地磁场环境 中表现为应力 集中区局部磁异 常，形成最 大的漏磁场 坳 变化。 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消失后仍能保 留 ，这就是磁记忆检测的基本原理。 金属磁记忆检测方法 由俄罗斯杜波夫教授提 出，一经问世便受到世界各 国同行的普遍重视 ，并 在短短几年内得到迅速的发展和应用，这是因为该 技术具有以下特点和优越性。 1 金属磁记忆检测技术 既可 以检测 出宏观 缺陷，又可检测出微观缺陷，还可以用于疲劳早期 诊断 ，并且可以确定出残余应力的分布状态。 2 无需 专门的磁化装置就能对铁磁性工件 进行可靠的检测。磁记忆方法利用在工作载荷作用 下 因金属稳定 的位错滑移而产生的自有磁场与地球 微弱磁场相互作用 ，在被检测对象表面的应力集 中 区域生成漏磁场 ，该漏磁场可 由专用 的磁测仪表记 录，不必对检测对象进行磁化 。 3 不需 要对被 检测 工件 的表面进 行清理 、 打磨或其他预处理 ，检测快捷 、简便 。 4 传感器与被测工件表面之间不需要填充 耦合剂 ，因此不存在耦合剂污染 的问题。 5 与传统 的射线 、超声 、压力应变 片检测 相 比，高灵敏度磁记忆传感器提离工件表面的距离 可达 3 0 m m 以上 ，并且能够灵敏地检测 出金属濒 临损伤的状态 ，在应力． 应 变状态评价与设备强度 基金项 目中海油能源发展股份有 限公 司项 目 “ 环保 型海洋石油再用油管 自动清洗及检测系统研制 ” Y F 0 8 Z F 1 1 7 9 。 2 0 1 0年第3 8卷第5期 郑文培等海洋石油再用油管磁记忆检测系统 及可靠性分析、寿命预测等方面有独特优势。 2 油管检测系统组成及功能 海洋石油再用油管磁记忆检测系统组成框 图、 示意图分别如图 1 、图 2所示 。 r ⋯ ⋯r ⋯ 一 [ 巫 匝]⋯ ⋯ 。 r ⋯ ⋯j f传输 机 构I - ．- t 检测 台 I 下料机构I I 数据采集 ’ 孺 i 析软件 图 1 油管检 测 系统框 图 图2油管检 测系统 示意图 1 一上料机构 ；2 一传输机构 ；3 --下料架； 4 一 下料 机 构 ； 5 一 检测 台 ； 6一 上 料架 。 2 ． 1 上 、下料机构 上料机构的作用是将油管从上料架运送到检测 线上。上料机构采用气缸举升的方式将油管抬离上 料架 ，在重力的作用下油管滚到传输机构辊轮 的正 上方 ，气缸下降后 ，油管即落在传输机构的辊轮上。 下料机构的作用是将油管从检测线运送到下料 架上。油管检测完成后 ，由传输机构运送到下料架 前方。下料机构同样采用气缸举升的方式将油管抬 离传输机构的辊轮 ，油管在重力 的作用下滚动到下 料架正上方，气缸下降后 ，油管 即落在下料架上 。 2 ． 2 传输机构 传输机构包括减速 电动机、辊轮和汽缸等。在 减速电动机的带动下 ，辊轮靠摩擦力带动油管沿水 平方向运动 ，将油管从上料架前方运送到下料架前 方，期间油管平稳地从检测台通过 ，检测台内封装 的磁记忆传感器将油管的检测信号记录下来。 2 ． 3 检测台 油管的检测 由检测台中的磁记忆传感器完成。 检测 台包括小检测环和大检测环 2部分 。小检测环 包含 8个通道的磁记忆传感 器，可检测 4, 6 0 ． 3和 4, 7 3 ． 0 m m的油管 ，大检测环包含 1 2个通道 的磁记 忆传感器 ，可检测 4 , 8 8 ． 9和 西l 1 4 ． 3 mm的油管。 2 ． 4控制系统 油管的上 、下料动作 ，传输机构的运行 以及油 管的位置控制由控制系统完成。由于现场工作环境 比较恶劣 ，检测系统 的控制部分选用抗干扰性较强 的 P L C作为控制的核心部分，其控制流程见图 3 。 图 3控 制 系统 流程 2 ． 5 数据采集系统 通过磁记忆传感器获得的油管检测信号通过多 通道数据采集器接收和处理 ，并传输到检测控制室 计算机上。传输机构传送油管的速度为 2 0 m ／ m i n ， 为满足油管检测信号分辨率为每毫米 1个数据采样 点的技术要求，采集卡 的最大采样频 率应为每秒 4 0 0 0 个数据采样点 1 2通道 。 2 ． 6 检测分析软件 检测分析软件用于接收数据采集系统采集 的检 测数据 ，并对数据进行分析处理和参数计算 ，对油 管进行智能分级评判 ，生成检测分析报告 ，给出油 管使用建议 ；还能为油管建立数据库 ，可随时查询 单根油管和某批油管 的技术状况 ，为油管管理和跟 踪使用提供依据。 3 关键技术 3 ． 1 油管传输稳定性 在现有 的漏磁检测系统 中，油管进入检测线之 前要卸接箍 ，这不但增加了检测成本 ，降低了检测 效率 ，而且还会因频繁卸接箍而损伤螺纹。海洋石 油再用油管磁记忆检测系统则保留油管接箍 ，通过 改进传输机构的运行模式来解决因接箍带来的油管 振动问题 。 该系统的传输机构采用减速 电动机带动 V字 形辊轮的方式 ，在辊轮与油管的摩擦力作用下带动 油管运行。辊轮由气缸固定在传输架上，通过 P L C 一 6 0一 石 油机械 2 0 1 0年第3 8卷第 5期 控制气缸的举升 自动调节辊轮高度。当接箍接近某 一 传输架时 ，该传输架上的辊轮在气缸带动下缓慢 下降 ，接箍可无障碍地从该传输架上方通过 ；当接 箍离开该传输架时 ，气缸带动辊轮上升，恢复辊轮 的初始高度。油管传输机构示意图如图 4所示 。经 过 P L C对各支撑架气缸的顺 序时序控制 ，解决 了 油管传输过程中的振动问题 ，为油管的准确检测奠 定 了基础 。 接箍1 油管 2 3 4 5 西 L Il Il 图 4油 管传 输 机 构 示 意 图 1 一避让 ；2 --气缸 ；3 --检测 台；4 --传输 架；5 --辊轮。 3 ． 2 多规格油管检测 现有的漏磁检测系统大多只能检测 1 或 2种常 用管径的油管。当油管规格较多时，要么更换检测 探头 ，要么采用多条检测线。当多种规格的油管混 合在一条检测线上时 ，人工更换 检测 探头很不方 便 ，且影响检测速度 ；分线检测又增加了分料和传 动环节 ，使检测线更加复 杂 。为此，笔者设 计 了2套检测装置小检测环和大检测环 ，且 2套 检测装置可 自由切换。检测装置示意图见图 5 。 图 5检 测 装 置 示意 图 1 一小检测环 ；2 --滑动槽板 ；3 --定位槽板 ；4 一 丝杠 ； 5 一底架 ； 6 一 导杆； 7 一防雨罩 ； 8 一大检测环 。 小检测环形成的圆柱形检测空问 ，在 自由状态 下其直径为 5 0 mm；当油管进入该空间时，其直径 扩大为管体直径大小 ，磁记忆传感器在弹性机构的 作用下紧贴油管外壁，使检测数据可靠。小检测环 圆柱形空 问直径 的上 限是 1 0 0 mm，因此可 满足 6 0 ． 3和 7 3 ． 0 m m油管的检测。同样 ，大检测环 圆柱 形 空 间 的直 径 范 围是 7 5～1 5 0 m m，满 足 8 8 ． 9和 西 1 1 4 ． 3 mm油管的检测 。 检测环安装在滑动槽板上 ，滑动槽板可在定位 槽板 内移动；定位槽板两端装有限位开关 ，可使检 测环停靠在准确位置 ，保证圆柱形检测空问与油管 管体在水平方向的同心度。 检测台通过 4根导杆安装在底架上，通过丝杠 来调节其高度 ，保证圆柱形检测空间与油管管体在 竖直方 向的同心度 ，4根导杆起导 向作用 ；安装有 防雨罩 ，保护检测环与滑动装置不受雨水侵蚀；检 测台前装有光电传感器，可实现油管到位识别 。 3 ． 3无盲区检测 漏磁检测技术要用励磁线圈对油管进行励磁处 理 ，油管端头通过磁化场时，通电空心线圈变为铁 心线圈，线圈的电感量增大，磁化电流减小 ，油管 端头及加厚带部位的缺陷不能形成足够的漏磁场 ， 从而产生较长的检 测盲区 ；而磁记忆检测技术 利用油管本身的剩磁场检测应力集中和缺陷 ，油管 加厚带部位和其他部位 的磁场强度无明显差异。 漏磁检测技术是通过采集垂直于油管表面的磁 场分量来判断损伤缺陷的 ，而油管端头及加厚带部 位的磁力线呈发射状 ，造成磁场 的垂直分量密集 ， 形成强烈的干扰信号，淹没了微弱的缺 陷信号 ； 而磁记忆检测技术采集的是油管本身剩磁场的水平 分量 ，水平分量在油管加厚带部位的分布与管体其 他部位的分布无明显差异，不影响检测结果 ，因此 该系统可实现无盲区检测 。 4 现场应用情况 2 0 0 9年 5月一1 1月 ，用海洋石油再用油管磁 记忆检测系统对大量新油管 、报废油管和 Q K 1 81 P 5 、Q K 1 81 P I 、S Z 3 6 1 D 2 4等海洋平台在役油 管进行检测 ，涉及的油管缺陷包括腐蚀 、裂纹 、管 体变形 应力集 中等。图 6～图 9为油管 4种典 型缺陷的局部图片及检测分析软件对整段油管的分 析曲线和诊断结果。 ’ ～ ‘ 兰 } ⋯ ’ ● ● t - ～ 一 - ‘‘‘ 一 一 ⋯ ． 图6 存在裂纹的 8 8 ． 9 m m油管及软件分析结果 图 6为裂纹的检测结果。该油管规格为 8 8 ． 9 m m，使用大检测环 1 2通道对其进行检测 。裂 纹部分对应 3 、4通道。从 软件分析结果看 ，这 2 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 郑文培等 海洋石油再用油管磁 记忆检测 系统 一 6 1一 个通道的分析曲线 出现尖锐的波峰，而且峰值超过 了警戒线 红色水平线 。软件分析界面左下角红 色字体显示对该油管的分级判断结果为报废油管。 图7为较大腐蚀坑的检测结果。该油管规格为 4 , 8 8 ． 9 m m，使用大检测环 1 2通道 对其进行检 测。腐蚀坑部分对应 1 1 通道。从软件分析结果看 ， 该通道的分析曲线出现明显的波峰 ，但峰值没有超 过警戒线。软件分析界面左下角黄色字体显示对该 油管的分级判断结果为二级油管 ，建议降级使用 。 图 7 存在腐蚀坑的 8 8 ． 9 m m 油管及软件分析结果 图 8为大面积腐蚀 区域 的检测结果 。该油管规 格为 4, 7 3 ． 0 m m，使用小检测环 8通道对其进 行检测。腐蚀区域遍布管体整个圆周 ，8个通道的 数据呈现较大范围的波动。软件分析界面左下角黄 色字体显示对该油管的分级判断结果为二级油管 ， 建议降级使用。 图 8 大面积腐蚀的 3 ． 0 m m 油管及软件分析结果 图9为管体变形 的检测结果。该 油管规格为 4, 7 3 ． 0 m m，使用小检测环 8通道 对其进行检 测。由于变形量较大 ，变形 区的整个圆周存在较明 显的应力集中，8个通道的数据在该变形区出现较 大的波峰。软件分析界面左下角红色字体显示对该 油管的分级判断结果为报废油管。 图 9 存在变形 区域的 7 3 ． 0 m m油管及软件分析 结果 5 结束语 海洋石油再用油管磁记忆检测系统不需专门的 磁化设备 ，受提离效应影响小 ，工作条件要求低 ， 操作快捷 、简单 、方便 ，灵敏度 、重复精度和可靠 性高 ，解决 了现有无损检测技术存在的问题。它可 从油管损伤的根源 微观缺陷或应 力集中区对 其技术状态做 出早期评定 ，预防在役油管的疲劳损 坏 ；既可以检测 出宏观缺 陷，又可检测 出微观缺 陷，并能预报未来的危险。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 Do ub o v A A． Di a g n o s t i c s o f me t a l a n d e q u i p me nt b y me a n s o f m e t a l m a g n e t i c me mo r y [ C]∥P r o c e e d i n g s o f ChS NDT 7t h Co n f e r e nc e o n NDT a n d I n t e r na t i o na l Re ． s e a r c h S y mp o s i u m． S h a n t o u C h i n a， 1 9 9 9 1 8 11 8 7 ． 付少彬，康宜华，武新军，等 ．多规格油管磁性探 伤检测线的研究 [ J ]．石油机械，2 0 0 2，3 0 8 3942 ． 何辅云，张海燕，丁克，等 ．钢管漏磁高速检测 技术与系统 [ M]．北京机械工业出版社，5 1 52 ． 第一作者简介 郑文培 ，生于 1 9 8 1年 ，中国石油大学 北京安全技术及工程专业博士研究生，主要研究方向 为安全检测与监测。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。电话 0 1 0 8 9 7 3 3 8 6 1 。Em a i l z h e n g w e n p e i 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 2 8 本文编辑丁莉萍