漏磁场法测量油管壁厚的研究

　　1　引　　言

　　油管是将原油从地下输送到地面的唯一通道。在我国,抽油泵采油井占机械采油井的90%以上。据统计,在众多的石油开采方式中,抽油泵采油的油井中油管的失效率最高。油管的失效是造成抽油井检泵的主要原因之一。油管穿孔、破裂或者断裂事故在我国的发生极为频繁,全国每年的经济损失上亿元。使用过程中,油管内壁杆状磨损和内外壁大面积腐蚀引起的壁厚减薄缺陷是造成油管失效的主要原因之一[1、2]。为了保证油管安全、可靠、正常的工作,在役油管壁厚的测量问题变得十分重要。本文提出一种高精度、高灵敏度的油管壁厚漏磁场测量方法(简称漏磁场法),它可以实现无损的、连续的在线测量,并不受油管表面的油泥或其它非导磁性杂物的影响。

　　2　壁厚漏磁场测量原理

　　油管多用导磁性能良好的高碳钢或者合金钢制成,很适合于利用漏磁场法进行检测。其基本原理为:在油管的同一横截面上布置若干个分别包含永久励磁回路的探头单元(取探头单元的数量为八个)对油管轴向励磁,当油管通过这一磁化磁场时,一旦油管中存在壁厚减薄缺陷,探头单元两磁极之间的漏磁场将改变,采用布置在各探头单元两磁极之间的处于油管同一横截面上的若干片集成霍尔元件[3、4](此处取八片),检测这一漏磁场的改变即可获得有关油管壁厚变化的信息,如图1所示。集成霍尔元件的输出电压之和为它所感应到的探头单元的极间平均漏磁感应强度的函数,为了得到反映该函数关系的油管壁厚测量传感器的线性化数学模型,油管壁厚测量传感器的磁路设计须满足以下要求:

　　(1)衬铁和油管被强磁性稀土永久磁铁(NdFeB)产生的强磁场磁化至饱和或者近饱和状态;(2)合理安排探头单元两磁极之间的轴向间距,使油管无缺陷时,探头单元两磁极之间的极间漏磁场近似为零,以便集成霍尔元件工作于零磁场附近。当油管的壁厚变化时,两磁极之间的极间漏磁感应强度将在集成霍尔元件的线性范围内变化,保证集成霍尔元件的高灵敏度。(3)磁路的工作气隙δ1满足关系式δ1≤0.2 lm,这里,lm是永久磁铁的轴向长度,保证气隙磁场仍为均匀磁场。因此,永久磁铁的端部漏磁场对磁路的影响可以忽然不计。

　　通过图1,按照磁路等效原则,可得图2的简化模型。图中,Rt为被测量段油管磁阻;Rri为第i(i=1,2,...,8)个探头单元中衬铁和永久磁铁磁阻;Rli为第i个探头单元中极间空气隙磁阻;Rai为第i个探头单元磁路的工作气隙和永久磁铁磁阻,F为永久磁铁的磁动势,根据磁路Kirchkoff定律,可知:

　　由于Φt、Φli和Φri可分别由各自所在磁路的截面积与平均磁感应强度的乘积给出,式(1)、(2)可表示为: