梁 冰

(大慶測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)中心 黑龍江 大慶)

0 引 言

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)［1］是20 世紀(jì)90 年代后期，由俄羅斯學(xué)者杜波夫率先提出的。該方法不僅是對(duì)金屬部件進(jìn)行早期診斷唯一行之有效的方法，而且可以快速檢測(cè)出已經(jīng)出現(xiàn)的金屬缺陷位置，在機(jī)械、航空、鐵路、石油等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

1 金屬磁記憶的基本概念

磁記憶檢測(cè)的基本原理是處于地磁環(huán)境下的鐵制構(gòu)件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)(Hp)的變化，如圖1 所示。即磁場(chǎng)的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留。從而通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)定，便可準(zhǔn)確推斷工件的應(yīng)力集中部位。

圖1 應(yīng)力集中區(qū)漏磁場(chǎng)分布圖

2 檢測(cè)儀器的電路設(shè)計(jì)

1999 年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)率先從俄羅斯引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)研制的儀器主要有兩種:一種是廈門愛(ài)德森公司的EMS2000 金屬磁記憶診斷儀［2］;另一種是清華大學(xué)的掌上金屬磁記憶檢測(cè)儀。兩種儀器大部分硬件構(gòu)成相似，綜合兩種儀器的優(yōu)點(diǎn)、結(jié)合油田工程測(cè)井領(lǐng)域的具體要求，設(shè)計(jì)出了油井金屬套管應(yīng)力磁記憶檢測(cè)儀系統(tǒng)原理框圖，如圖2 所示。

圖2 油井金屬套管應(yīng)力磁記憶檢測(cè)儀原理框圖

系統(tǒng)主要包括:

1)傳感器:儀器的關(guān)鍵元件，由于被檢部件的磁場(chǎng)微弱，需選擇靈敏度高的磁敏傳感器。

2)溫度補(bǔ)償:磁敏傳感器對(duì)溫度較敏感，需設(shè)置溫度補(bǔ)償電路。

3)放大電路:不同的環(huán)境，傳感器與工件的間距不同或工件表面本身的記憶磁場(chǎng)強(qiáng)弱不等，信號(hào)的大小差異較大。為了保證適當(dāng)?shù)男盘?hào)動(dòng)態(tài)范圍，放大電路的增益需可變、受CPU 控制。此外放大電路還需完成A/ D 轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)所要求的電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。

4)A/ D 轉(zhuǎn)換器:為保證適當(dāng)?shù)姆直媪?，A/ D 轉(zhuǎn)換器要求適當(dāng)?shù)奈粩?shù)。本儀器選用逐次通過(guò)型A/ D 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)為簡(jiǎn)化電路選用了多路輸入的A/ D 變換器。

3 井下試驗(yàn)樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖3 所示為井下試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

儀器外徑:90 mm;

儀器傳感器測(cè)量系統(tǒng)采用八臂推靠式結(jié)構(gòu);

傳感器耐溫指標(biāo):150℃;

傳感器及儀器耐壓指標(biāo):60 MPa。

圖3 井下試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

如圖4 所示是大慶油田拉15 丙264 井291 m ～308 m 首次測(cè)井曲線。從圖4 中可以看到套管井接箍顯示清晰，在兩個(gè)接箍之間的301 m 處有一明顯的應(yīng)力集中區(qū)現(xiàn)象的顯示，八個(gè)探頭其中之一測(cè)得的最大的金屬磁記憶峰峰值300 m/A 左右，屬于產(chǎn)生的了應(yīng)力集中現(xiàn)象，還沒(méi)有達(dá)到塑性形變階段。在井徑測(cè)井過(guò)程中，301m 處沒(méi)有絲毫套管變形顯示，這就說(shuō)明該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 大慶油田拉15 丙264 井磁記憶檢測(cè)曲線(首次測(cè)量)

如圖6 所示是大慶油田拉15 丙264 井第二次重復(fù)測(cè)井曲線。從圖5 中可以看出各個(gè)探頭的測(cè)試曲線顯示的金屬磁記憶響應(yīng)的幅值稍有不同，儀器在井中旋轉(zhuǎn)了方向，但可以看到首次測(cè)井的第3、4 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)完全和第二次測(cè)井的第1、2 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)重復(fù)較好;首次測(cè)井的第5、6 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)完全和第二次測(cè)井的第3、4 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)重復(fù)較好;首次測(cè)井的第7、8 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)完全和第二次測(cè)井的第5、6號(hào)探頭曲線趨勢(shì)重復(fù)較好;首次測(cè)井的第1、2 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)完全和第二次測(cè)井的第7、8 號(hào)探頭曲線趨勢(shì)重復(fù)較好。從二次測(cè)井曲線上看，完全驗(yàn)證了金屬磁記憶測(cè)井儀的重復(fù)性。

圖5 大慶油田拉15 丙264 的40臂井徑測(cè)井曲線

如圖7 所示是大慶油田高133 -36 井射孔井段內(nèi)變形部位的磁記憶檢測(cè)曲線，在1 003 m ～1 005 m 之間正好是套管變形位置，磁記憶響應(yīng)峰峰值大約在600 A/m 左右，剛好對(duì)應(yīng)了圖7 中顯示的高133 -36 井射孔井段內(nèi)套管變形部位的16 臂井徑檢測(cè)曲線檢測(cè)的變形部位。從井徑測(cè)井結(jié)果看，該部位已經(jīng)破損，應(yīng)力已經(jīng)部分釋放。

圖7 大慶油田高133 -36 井磁記憶檢測(cè)曲線

如圖8 所示是大慶油田高133 -36 井射孔井段內(nèi)變形部位的16 臂井徑檢測(cè)曲線，在1 003 m ～1 005 m之間是變形位置，最大井徑150 mm、最小井徑118 mm。

圖8 高133 -36 井的16 臂井徑測(cè)井曲線

5 結(jié) 論

1)根據(jù)金屬磁記憶檢測(cè)原理，套管井壁法向漏磁場(chǎng)分布狀況反映了套管井壁的殘余應(yīng)力分布狀況;

2)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料的分析，磁記憶檢測(cè)儀的井下測(cè)井資料的確反映了套管井壁法向漏磁場(chǎng)分布狀況，在套管變形和未變形情況下均測(cè)得了異常磁記憶響應(yīng)，為井下套管安全狀況評(píng)價(jià)及套損預(yù)防提供了依據(jù);

3)采用時(shí)間推移方式評(píng)價(jià)套損區(qū)應(yīng)用該儀器，為油田井下套管安全狀況評(píng)價(jià)及套損預(yù)防提供依據(jù)。

［1］任吉林，林俊明，池永濱，等. 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2000

［2］林俊明，林發(fā)炳，林春景，等.EMS2000 金屬磁記憶診斷儀的研發(fā)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24(4)