杜 堅，段北辰，張文濤，仇 芝，趙 媛，蘆 澍

（1.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610500；2.中國石油集團(tuán)東方地球物理公司采集技術(shù)支持部，涿州 072750；3.中國石油天然氣管道局 管道投產(chǎn)運(yùn)行公司，廊坊 065000）

遠(yuǎn)場渦流（簡稱RFEC）檢測技術(shù)是一種能夠穿透金屬管壁的低頻渦流檢測技術(shù)。20世紀(jì)50年代殼牌公司的Schmidt TR在世界上首次研制成功檢測井下套管的探頭，并用來檢測井下套管的腐蝕情況。從20世紀(jì)80年代開始，加拿大Russell NDE Systems公司致力于遠(yuǎn)場渦流技術(shù)在管道檢測方面的研究，其生產(chǎn)的遠(yuǎn)場渦流無損檢測系統(tǒng)的技術(shù)居世界領(lǐng)先水平。進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國電力、石化、化工行業(yè)從Russell公司購買了數(shù)套204型和308型遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)，以檢測鍋爐和熱交換器，應(yīng)用效果很好［1］。近幾年來，我國石油天然氣企業(yè)開始應(yīng)用Russell公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)場渦流井下套管無損檢測系統(tǒng)。

對于CNG儲氣井，由于其埋地固井的特點(diǎn)，只能采用內(nèi)穿式儀器下井檢測，目前還沒有一種無損檢測手段能夠較理想地對其內(nèi)外壁進(jìn)行檢測［2］。筆者將遠(yuǎn)場渦流技術(shù)應(yīng)用于該領(lǐng)域，在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)場渦流檢測原理及數(shù)學(xué)模型

1.1 基本原理

遠(yuǎn)場渦流檢測的探頭通常為內(nèi)通過式，由激勵線圈和檢測線圈構(gòu)成，檢測線圈與激勵線圈相距約2～3倍管內(nèi)徑的長度，激勵線圈通以低頻交流電，檢測線圈能拾取發(fā)自激勵線圈穿過管壁后又返回管內(nèi)的渦流信號，而從有效地檢測金屬管子的內(nèi)、外壁缺陷和管壁的厚薄情況。

隨著兩線圈間距的增加，檢測線圈感應(yīng)電壓的幅值開始急劇下降，然后變化趨于緩慢，而相位存在一個躍變。通常把信號幅值急劇下降后變化趨緩而相位發(fā)生躍變之后的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)；靠近激勵線圈信號幅值急劇下降的區(qū)域稱為近場區(qū)；近場區(qū)與遠(yuǎn)場區(qū)之間的相位發(fā)生大躍變的區(qū)域稱為過渡區(qū)域［3］，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)場渦流檢測原理

需要檢測的不是線圈的阻抗變化，通常是測量檢測線圈的感應(yīng)電壓與激勵電流之間的相位差和感應(yīng)電壓的幅值。有研究表明［4］，90%的磁通被緊緊地束縛在激勵線圈附近，9%的磁通在距離激勵線圈一個管徑以內(nèi)的區(qū)域，只有1%甚至更少的磁通向管內(nèi)的遠(yuǎn)處擴(kuò)散，而對遠(yuǎn)場渦流檢測線圈起作用的磁通大約只占0.1%的總磁通，所以檢測到的信號只有微伏級。這一無損檢測技術(shù)實(shí)際上是“渦流檢測的弱場效應(yīng)”。

1.2 數(shù)學(xué)模型

遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)從本質(zhì)上來說，是一種電磁場檢測手段，因此其原理首先滿足麥克斯韋方程組：

對于遠(yuǎn)場渦流技術(shù)，引入矢量磁位A，則磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

將式（2）代入式（1）中的第二個方程，并不考慮恒定場，則磁場強(qiáng)度為：

又因金屬管壁內(nèi)渦流場：

將式（4）代入式（1）中的第三個方程，可得：

式（5）是正在激勵線圈的附近金屬管壁內(nèi)、外區(qū)域，描述遠(yuǎn)場渦流現(xiàn)象的擴(kuò)散方程；式中μ，σ是金屬管材的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。對于時諧電磁場，由矢量恒等式，并考慮到▽·A＝0，則式（5）可簡化為：

式中J，A分別為傳導(dǎo)電流密度矢量和矢量磁位的復(fù)振幅矢量。在圓柱坐標(biāo)中，J和A均只有θ方向分量，且A只是r，z的函數(shù)，因此，在軸對稱的情況下，式（6）可簡化為：

式（7）即為遠(yuǎn)場渦流的電磁場模型，對該方程進(jìn)行數(shù)值計算，可求得遠(yuǎn)場渦流的空間分布。

2 遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 套管檢測需求分析

根據(jù)目前CNG地下儲氣井的制造情況，目前均采用兩大規(guī)格系列的套管產(chǎn)品：7″井筒（管徑177.8mm×壁厚10.36mm，井筒鋼級N80Q）和9－5／8″井筒（管徑244.5mm×壁厚11.05mm，井筒鋼級P110）。如圖2所示，CNG地下儲氣井屬固定式壓力容器，容器的主體（井筒）埋于地下（屬隱蔽工程），裸露在地面的部分為容器的井口裝置及相關(guān)連接附件。儲氣井主要由以下部分構(gòu)成：

圖2 CNG儲氣井結(jié)構(gòu)

（1）井口裝置（接箍、閥門、壓力表、短節(jié)、接頭、O型密封圈等外部連接管件組成件）。

（2）儲氣井主體（下封頭組合件、上下法蘭組合件、套管）。

（3）排污系統(tǒng)。

（4）固井水泥環(huán)（井眼及水泥固井層）。

隨著使用年限的增長，CNG儲氣井套管容易出現(xiàn)腐蝕，造成各種形態(tài)的損傷，主要有裂紋、減薄、點(diǎn)蝕等。裂紋有不同的走向，各種損傷可能發(fā)生在套管內(nèi)壁和外壁。因此，提前對管道進(jìn)行有效的無損探傷，確定各類損傷的位置和程度，對安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

目前，遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)在國內(nèi)主要應(yīng)用于換熱器管道缺陷檢測，而在大口徑管道檢測上應(yīng)用還不成熟，推測主要問題是檢測信號微弱，系統(tǒng)設(shè)計不成熟等原因。

2.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

針對CNG儲氣井套管損傷的特點(diǎn)，設(shè)計研發(fā)一套遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)。如圖3為設(shè)計的遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)框圖，主要由信號源、功率放大器、激勵線圈、檢測線圈、數(shù)據(jù)采集模塊以及用于數(shù)據(jù)顯示和處理的上位機(jī)組成。

圖3 CNG儲氣井套管損傷遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)設(shè)計

（1）信號源 作為激勵線圈的激勵源，同時提供相位測量的參考信號。采用信號發(fā)生模塊，產(chǎn)生30～80Hz的交流信號。

（2）功率放大器 用來提高信號源的功率。采用功率放大器電路模塊，使激勵信號功率加大，至少達(dá)到50mA的電流強(qiáng)度（最新試驗(yàn)確定）。

（3）激勵線圈 通以經(jīng)功率放大器放大的交流電信號，在空間中產(chǎn)生電磁場。設(shè)計采用漆包線在環(huán)形磁芯上繞制形成激勵線圈，線圈兩側(cè)加裝銅板，用以屏蔽直接耦合信號對檢測信號的干擾，從而縮短激勵線圈和檢測線圈的間距。

（4）檢測線圈 在距離激勵線圈2～3倍管徑處放置檢測線圈陣列。設(shè)計采用多個電感形成檢測陣列。另外可以設(shè)計采用其他類型的磁傳感器，如霍爾元件、巨磁阻傳感器等。

（5）數(shù)據(jù)采集模塊 主要將檢測線圈接收到的微弱電信號實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲放大，檢測接收信號與參考信號的相位差以及接收信號的幅值。

（6）上位機(jī) 設(shè)計將采用圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對檢測信號的顯示和存儲，同時開發(fā)更多數(shù)據(jù)處理功能。

3 核心設(shè)備設(shè)計

3.1 激勵線圈

激勵線圈的作用是在被檢測管道空間中產(chǎn)生交變電磁場。由于遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的弱場效應(yīng)，可被檢測到的信號微弱；而且所檢測的CNG儲氣井套管屬于大口徑鐵磁性鋼管，管壁較厚。為取得滿意的檢測效果，首先要求激勵線圈激發(fā)出的電磁場有足夠大的功率?；谶@種考慮，激勵線圈需要在保證設(shè)備安全的基礎(chǔ)上，加大激勵電流強(qiáng)度；在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)，增加線圈匝數(shù)。

激勵線圈由漆包線、磁芯、線圈骨架和屏蔽板構(gòu)成。首先確定漆包線線徑，如果線徑太小，就不能承受產(chǎn)生足夠電磁場功率所需的激勵電流強(qiáng)度；如果線徑太大，在有限的空間中無法繞制足夠的線圈匝數(shù)，也限制了激勵電磁場功率的提高。綜合這兩點(diǎn)，選定線徑為0.31mm的鍺錳銅電阻合金漆包線繞制激勵線圈。

確定線圈匝數(shù)N的公式為：

式中 S——線圈繞線部分截面積，為430mm2；

ε——線圈槽滿率，一般取0.7；

s——導(dǎo)線截面積；

將S，ε和s代入式（8），得到N＝3988?？紤]到實(shí)際繞線操作中不可避免產(chǎn)生繞線間隙，取3000匝。繞線完成后，線圈外徑低于線圈骨架邊緣5～6mm，比較合理地利用了空間。

根據(jù)遠(yuǎn)場渦流理論，檢測二次穿過管壁的間接耦合磁通，只有這部分電磁場攜帶了套管損傷的信息。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，需盡力增強(qiáng)間接能量耦合，減弱直接能量耦合。為了達(dá)成此效果，在激勵線圈兩側(cè)加裝了銅板，再在其軸心通孔加裝了銅管。由于銅是抗磁性材料，這樣，可以引導(dǎo)更多的磁通傳出管壁，有助于加強(qiáng)遠(yuǎn)場效應(yīng)。如圖4為制作完成的激勵線圈。

3.2 檢測線圈

圖4 激勵線圈

檢測線圈相當(dāng)于一個磁傳感器，感受二次穿過管壁的交流磁場信號。由于電磁感應(yīng)原理，檢測線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，分析這個微弱的電壓信號，可以獲知管壁的信息。根據(jù)遠(yuǎn)場渦流原理，在管壁無缺陷時，檢測線圈的感應(yīng)電壓與激勵電流間的相位滯后正比于壁厚與集膚深度倒數(shù)的乘積；管壁存在裂紋、凹坑及腐蝕等缺陷時，管壁厚度減小，因而導(dǎo)致檢測信號相位差減小和幅值增大，于是管道缺陷被發(fā)現(xiàn)［4］。為了同時檢測管壁不同周向位置的缺陷，一個大的軸向線圈顯然無法判斷缺陷位置，故檢測線圈部分采用多個線圈，實(shí)際形成一個檢測線圈陣列。

對檢測線圈來說，希望其具備足夠的檢測精度和檢測靈敏度，使其能夠檢測最小間距20mm，寬2mm的周向裂紋。檢測精度要求檢測線圈不能太大，否則對細(xì)小裂紋缺陷無法檢測，檢測靈敏度又需要檢測線圈有足夠的匝數(shù)，可以感知微弱的磁場變化。綜合考慮，選擇了規(guī)格為0.4A／100mH的環(huán)形電感元件作為檢測線圈，其外形尺寸為16mm（外徑）×18mm（高），符合檢測要求。

檢測線圈的排列方向主要有周向、徑向、軸向三種方式。由于激勵線圈為軸向，在套管內(nèi)部遠(yuǎn)場空間的磁場主要為軸向，故檢測線圈也選用軸向排列。在每個檢測線圈外部加裝了銅皮，用來屏蔽相鄰檢測線圈之間的電磁干擾。制作完成的檢測線圈陣列如圖5。

圖5 檢測線圈陣列

4 結(jié)論及展望

設(shè)置激勵信號參數(shù)為：交流正弦波信號，幅值50mA，頻率30Hz。通過試驗(yàn)測試，檢測線圈陣列在遠(yuǎn)場區(qū)域可以檢測到攜帶套管損傷信息的交變信號。說明設(shè)計的遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)可以用于CNG儲氣井套管損傷檢測。下一步將設(shè)計試驗(yàn)，使用研發(fā)的套管內(nèi)外壁缺陷標(biāo)定裝置完成遠(yuǎn)場渦流檢測。

［1］嚴(yán)舒.遠(yuǎn)場渦流無損檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.石油科技論壇，2008（3）：55－56.

［2］許立志，王明灼，曾黃麟.CNG儲氣井套管檢測技術(shù)綜述［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（12）：111－115.

［3］David L Atherton.Remote field eddy current inspection［J］.IEEE Transaction on Magnetics，1995（11）：4142－4147.

［4］任吉林，林俊明.電磁無損檢測［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：203－213.