當(dāng)鉆桿在井下出現(xiàn)穿刺滲漏、斷裂等失效問題時，會因鉆桿破裂而停止工作，對鉆井施工造成嚴(yán)重?fù)p失，嚴(yán)重者可能會發(fā)生重大事故。為實現(xiàn)快速高效的鉆桿表面缺陷檢測，簡單介紹了磁記憶檢測方法檢測金屬缺陷的機理，在此基礎(chǔ)上，介紹了一種搭載磁記憶探頭的便攜式鉆桿表面損傷檢測裝置。該裝置可以高速、穩(wěn)定地采集多種尺寸的鉆桿表面磁記憶信號，并結(jié)合鉆桿損傷磁記憶檢測軟件進(jìn)行分析，實現(xiàn)對鉆桿表面缺陷的可視化分析。通過開展相關(guān)試驗，對鉆桿帶傷表面進(jìn)行檢測及數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠地檢測出鉆桿表面各種缺陷，驗證了磁記憶檢測方法的可行性。所得結(jié)果可為鉆桿表面缺陷檢測提供一種有效的檢測方法。

鉆柱；無損檢測；磁記憶檢測；檢測裝置；梯度信號；分析軟件

TE921

A

DOI： 10.12473/CPM.202401027

Portable Drill Pipe Detection Device Based on

Magnetic Memory Detection Method

Jiang Hao" Zhang Laibin" Fan Jianchun

（College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum （Beijing）;Key Laboratory of Oil and Gas Production Safety and Emergency Technology）

When the drill pipe experiences failure problems such as puncture leakage and breakup in the well， it stops working due to the rupture， causing serious losses to drilling construction， and even resulting in serious accidents. To achieve fast and efficient detection of surface defects on drill pipes， the mechanism of magnetic memory detection method for detecting metal defects was briefly introduced. On the basis of which， a portable drill pipe surface damage detection device equipped with magnetic memory probe was introduced. This device can collect magnetic memory signals of various sizes of drill pipe surfaces stably at high speed， and combine with magnetic memory detection software of drill pipe damage for analysis， achieving visual analysis of drill pipe surface defects. Moreover， relevant tests were carried out to conduct detection and data analysis on the damage surface of drill pipes， showing that the detection system can accurately and reliably detect various defects on the surface of the drill pipe， verifying the feasibility of the magnetic memory detection method. The research results provide an effective detection method for the detection of surface defects on drill pipes.

drill string;nondestructive testing;magnetic memory detection;detection device;gradient signal;analysis software

基金項目：中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司項目“萬米深井井控設(shè)備、鉆具安全可靠性評價與風(fēng)險控制技術(shù)”（TB20231031）。

0" 引" 言

蔣浩，等：基于磁記憶檢測方法的便攜式鉆桿檢測設(shè)備

鉆柱是一種中空管狀結(jié)構(gòu)，用來傳遞扭矩，驅(qū)動鉆頭從地面到達(dá)油氣層。在鉆井過程中，鉆柱由數(shù)百根鉆桿連接而成，每2根鉆桿通過錐形螺紋連接［1］。鉆柱在服役過程中，工況十分惡劣，受復(fù)雜地層條件、惡劣的腐蝕性介質(zhì)、流體沖刷、復(fù)雜運動和拉壓彎扭復(fù)合運動載荷等因素的耦合作用，會導(dǎo)致鉆柱表面產(chǎn)生一定損傷，如裂紋、凹坑、缺陷等，如果不能及時發(fā)現(xiàn)鉆柱表面的缺陷，可能會導(dǎo)致鉆柱在使用過程中發(fā)生斷裂失效，對生產(chǎn)和人員安全造成一定的影響［2］。因此，對鉆柱進(jìn)行缺陷檢測，及時發(fā)現(xiàn)鉆柱鉆面異常，實現(xiàn)鉆柱失效預(yù)警對保障安全生產(chǎn)、降低事故損失極為重要。常用于鉆桿檢測的方法為無損檢測方法，無損檢測是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，其重要性已得到公認(rèn)［3］。磁記憶檢測方法是通過檢測含缺陷鐵磁性金屬工件在地磁場激勵條件下，由于外部復(fù)雜工況而在構(gòu)件表面產(chǎn)生的漏磁場信號，而對構(gòu)件表面及內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷及應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行檢測的方法。其優(yōu)點為不需要外部磁場激勵，受提離值影響小，靈敏度高和重復(fù)精度高等，因此可以采用磁記憶檢測方法對鉆桿損傷及應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行檢測和分析［4］。

1" 磁記憶檢測方法

金屬磁記憶檢測方法是一種新興的弱磁檢測技術(shù)，其與漏磁檢測的區(qū)別在于不需要外部磁場激勵［5］。與其他無損檢測手段相比，磁記憶檢測方法對被檢測構(gòu)件形狀沒有特殊要求，也不需要對部件表面進(jìn)行清洗，可以進(jìn)行非接觸式測量，并且也不需要專門的耦合劑，這樣也就避免了耦合劑污染問題。磁記憶檢測方法可以快速評價被檢測對象的材料狀態(tài)、疲勞程度，從而確定其早期損傷區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域，篩查損傷部位，尤其是對于焊接殘余應(yīng)力的評價及焊接質(zhì)量控制具有重要參考價值。它在基礎(chǔ)理論研究、設(shè)備研發(fā)、信號處理、機械損傷等領(lǐng)域已取得初步成功，特別是在設(shè)備疲勞損傷評估和壽命預(yù)測方面有著廣闊的前景［6］。

在微觀層面上，鐵磁性材料由許多磁疇組織和磁疇壁組成，在沒有外部物理場激勵時，鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇組織處于不規(guī)則的自由狀態(tài)，從整體上材料不顯磁性。當(dāng)受到外部物理場影響時，在地磁場的耦合作用下，由于壓磁效應(yīng)，材料內(nèi)部的磁疇組織會發(fā)生定向移動，導(dǎo)致材料在宏觀上顯磁性［7］。而當(dāng)載荷消失后在應(yīng)力集中區(qū)域的磁場并未完全消失，鐵磁性材料結(jié)構(gòu)件表面的這種磁狀態(tài)“記憶”著微觀缺陷或應(yīng)力集中的位置，即所謂的“磁記憶效應(yīng)”［8］。

圖1為磁記憶檢測方法機理圖。磁記憶信號在缺陷或應(yīng)力集中處表現(xiàn)出明顯的非線性特征。切向分量Hpx的最大值通常出現(xiàn)在應(yīng)力集中或缺陷區(qū)域附近，而法向分量Hpy通常在此區(qū)域接近于0。因此，可通過Hpx的峰值位置或者Hpy的零點位置來判斷應(yīng)力集中或缺陷區(qū)域。此外，諸如法向分量Hpy的峰谷間距和切向分量峰值信號特征與缺陷的大小或應(yīng)力集中有關(guān)［9］。

金屬磁記憶最初開始主要用于鐵磁性材料微觀裂紋檢測，但同樣的開口缺陷和裂紋等橫截面積發(fā)生突變的部位都會導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此磁記憶檢測方法可用來對缺陷進(jìn)行定量化研究。

2" 檢測系統(tǒng)工作原理

2.1" 系統(tǒng)組成

該檢測系統(tǒng)主要由檢測裝置與控制箱2部分組成。檢測裝置包含帶有16個探頭的檢測環(huán)、2個驅(qū)動電機、手動升降平臺、主動滾輪、從動滾輪、主體框架、數(shù)據(jù)傳輸裝置等多個部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。檢測環(huán)有多種尺寸以供對不同尺寸鉆桿進(jìn)行檢測，更換檢測環(huán)后只需轉(zhuǎn)動高度調(diào)節(jié)裝置使得滾輪、檢測環(huán)與鉆桿緊緊貼合即可。伺服直流電機驅(qū)動主動滾輪旋轉(zhuǎn)，滾輪表面磨砂處理以增大摩擦力，使其足以帶動整套檢測裝置在鉆桿表面沿軸向運動，運動過程中檢測環(huán)內(nèi)的傳感器不斷工作，從而實現(xiàn)對鉆桿表面損傷及應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行全面掃查。

圖3為控制箱示意圖?？刂葡渲饕獙崿F(xiàn)供電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽鋬?nèi)部包含便攜式鋰電池、變壓模塊、數(shù)據(jù)采集卡以及路由器等模塊，滿足供電以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。只需上位服?wù)器連接無線路由器的WiFi即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，強大的無線路由器保證了檢測時數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。外部的防爆箱滿足現(xiàn)場對帶電設(shè)備的防爆需求。數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C后即可實現(xiàn)信號分析、缺陷檢測和識別［10］。

在開始檢測前，需選擇適用于待測試樣尺寸的檢測環(huán)，將其打開后套在被檢測鉆桿表面，使得裝有傳感器探頭的模塊與被測鉆桿貼合后將檢測環(huán)鎖死。手動旋轉(zhuǎn)高度調(diào)節(jié)裝置使得4個滾輪完全貼合在被檢測試件表面，滾輪表面車有不規(guī)則紋路，增大了滾輪與鉆桿之間的摩擦力，保證檢測時的平穩(wěn)移動。電機采用直流伺服電機，其優(yōu)點為體積小、質(zhì)量輕、力能指標(biāo)高。電機與主動滾輪間裝有萬向聯(lián)軸器以保證旋轉(zhuǎn)運動的傳遞。主動滾輪、從動滾輪共有4個接觸點，能保證裝置在鉆柱表面平穩(wěn)運行，并增強裝置在鉆桿表面的運動能力。檢測原理如圖4所示。

檢測環(huán)內(nèi)置的16通道傳感器與電機同時工作，實現(xiàn)檢測裝置“邊動邊檢”的功能，節(jié)省檢測時間，大大提高了檢測效率。傳感器采集到試樣表面磁場信號后，將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡選型為EM6936B多功能高性能數(shù)據(jù)采集卡，可實現(xiàn)250 kHz高頻率采集，并具有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口、USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口以及無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備接口等3種數(shù)據(jù)傳輸方式。該裝置采用無線數(shù)據(jù)傳輸方法，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，不受布線條件的限制，滿足移動采集需求。最終將采集到的信號傳輸?shù)诫娔X上，儲存后供數(shù)據(jù)分析使用。裝置實物如圖5所示。

2.2" 數(shù)據(jù)分析軟件

數(shù)據(jù)收集后，配套采集卡使用的采集軟件會將采集好的數(shù)據(jù)以.csv格式進(jìn)行儲存，因此數(shù)據(jù)分析軟件要具有對此類文件讀取的功能，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理及成像等功能。數(shù)據(jù)處理采用濾波、梯度處理2種方法，既可排除鉆桿表面磁場強度不均勻、外部干擾等因素的影響，又對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，以便其以更好的形式呈現(xiàn)在圖像上。軟件界面如圖6所示。圖6中左側(cè)為控制面板，可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的參數(shù)選擇，右側(cè)為繪圖區(qū)域，包含原始信號點線圖、處理后的數(shù)據(jù)點線圖、3D云圖以及梯度云圖4部分，能直觀地顯示數(shù)據(jù)處理能力以及缺陷識別效果。

2.2.1" 濾波

數(shù)據(jù)濾波處理是一種常用的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，主要用于去除數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。常用的數(shù)據(jù)濾波處理方法如下。

（1）移動平均濾波：通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，可以減少數(shù)據(jù)中的隨機噪聲。

（2）中值濾波：通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行中值處理，可以抑制數(shù)據(jù)中的異常值和噪聲。

（3）低通濾波：通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域信號，然后在頻域上進(jìn)行濾波處理，可以去除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲。

（4）高通濾波：通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域信號，然后在頻域上進(jìn)行濾波處理，可以去除數(shù)據(jù)中的低頻噪聲［11］。

以上方法在實際應(yīng)用中可能會產(chǎn)生一些問題，如處理速度、可靠性和精度等方面的限制。因此，在選擇濾波方法時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)特性進(jìn)行評估和調(diào)整［12］。

軟件中采用的為Butterworth（巴特沃斯）濾波器，其廣泛地應(yīng)用于通信領(lǐng)域和電測行業(yè)，也可以用作檢測信號的濾波器。巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為0。在振幅的對數(shù)對角頻率的波特圖上，從某一邊界角頻率開始，振幅隨著角頻率的增加而逐步減小，趨向負(fù)無窮大。巴特沃斯濾波器是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器，保證了信號的原始值，不會因為濾波被衰減。巴特沃斯濾波器的性能明顯優(yōu)于1階低通濾波器性能［13-15］。

2.2.2" 梯度處理

梯度處理是磁記憶檢測信號常用的處理方法之一。由圖1可知，缺陷處切向磁場出現(xiàn)極值，即可通過計算磁記憶信號的梯度值和峰峰值來檢測所得磁記憶信號的切向極大值，進(jìn)而找出試樣應(yīng)力集中點或缺陷部位［16］。

圖7為帶有缺陷的原始磁記憶信號與梯度信號。圖7a為原始信號，信號中有明顯的應(yīng)力集中點，反映在磁記憶原始信號中即有明顯的跳點，即磁記憶信號的極值［17］。利用梯度計算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

Tx=∑x+n+1x+1Px－∑x+nxPxn（1）

式中：Tx為梯度處理后的信號值，V；Px為原始信號值，V；x為信號點；n為步長。

經(jīng)過上式處理后，得到梯度信號（見圖7b），通過梯度信號的跳變點可以得到鐵磁性材料較為明顯的應(yīng)力集中點或缺陷。這種梯度計算方法效果明顯、直觀。

3" 檢測試驗及數(shù)據(jù)分析

為了解該設(shè)備對鉆桿表面缺陷進(jìn)行檢測的可行性以及缺陷識別的準(zhǔn)確性，需開展相應(yīng)試驗加以驗證。

3.1" 試驗方案

室內(nèi)試驗采用88.9mm（3.5 in）鉆桿，內(nèi)徑為76 mm，總長度為1.5 m，鉆桿表面分別刻有0.5 mm×0.5 mm的條形缺陷陣列和4種不同尺寸、沿管柱周圍均勻分布的凹坑缺陷以供檢測試驗使用，具體模型圖以及實物缺陷如圖8所示。

將設(shè)備安裝完成并確認(rèn)無誤后開啟電源，設(shè)備運動，同時對鉆桿表面進(jìn)行磁記憶信號采集，試驗過程如圖9所示。

3.2" 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)束后，將保存好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到鉆具缺陷分析識別軟件中，輸入對應(yīng)的參數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到結(jié)果如圖10所示。

由分析結(jié)果可見，圖10能找到與缺陷相對應(yīng)的數(shù)據(jù)跳點，在云圖中也能直觀地識別到缺陷。因此，該設(shè)備能有效地對鉆桿表面缺陷進(jìn)行檢測，同時也驗證了磁記憶檢測方法的可行性。

4" 結(jié)論與認(rèn)識

（1）金屬磁記憶檢測方法作為新興的弱磁無損檢測技術(shù)，可以有效地應(yīng)用于鉆桿表面缺陷損傷檢測。

（2）鉆桿檢測裝置可以實現(xiàn)對特定尺寸鉆桿表面進(jìn)行多通道檢測、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與缺陷識別。

（3）通過該檢測系統(tǒng)對鉆桿進(jìn)行缺陷診斷，及時發(fā)現(xiàn)缺陷或損傷，為鉆桿的安全使用提供了有效的保障。

（4）該設(shè)備存在以下不足：①探頭密度不足，若缺陷較小且位于兩探頭之間則難以檢測到；②設(shè)備電機驅(qū)動過程中會產(chǎn)生振動，對信號采集有一定影響；③數(shù)據(jù)處理方法尚有欠缺，無法在保證缺陷特征不被抹除的前提下去除干擾信號。

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第一蔣浩，生于2000年，2022年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）安全工程專業(yè)，現(xiàn)為在讀博士研究生，研究方向為安全監(jiān)測與智能診斷工程。地址：（102249）北京市昌平區(qū)。email：517159229@qq.com。

通信作者：樊建春，教授。email：17276383354@163.com。

2024-01-27" 修改稿收到日期：2024-07-18

王剛慶