数字化抽油杆裂纹磁性无损检测仪设计原理和应用分析

　　一、前言

　　抽油杆是油杆抽油设备的重要部件之一，在油田使用量很大。抽油杆在使用过程中，长期承受交变载荷的作用，产生表面横向裂纹，由此引起的损伤程度和抽油杆的承载能力直接关系着采油作业的安全和作业成本的高低。因此，对在役抽油杆进行定量无损检测与评价，对减少抽油杆脱杆事故，降低采油成本具有十分重要的意义。对抽油杆检测的方法较多，如涡流检测、磁粉检测、漏磁检测及超声检测等。目前，为了实施抽油杆的科学管理和高效应用，我们引进了移动式抽油杆裂纹漏磁检测仪，它可直接安装在井口或修井机上，用于在起或下抽油杆作业过程中进行检测，实际运用效果理想。

　　二、抽油杆裂纹漏磁定量检测原理

　　抽油杆一般由45钢或20CrMO钢等铁磁性材料制成，其导磁性能良好。抽油杆等磁性材料的裂纹状况主要有裂纹长度、裂纹宽度、裂纹深度和裂纹走向等参数。可采用裂纹深度作为评价裂纹状况的主要指标，因为裂纹引起的抽油杆横截面积的相对损失量是抽油杆力学性能降低的主要原因;另外，探伤传感器采用轴向聚磁技术，检测的是裂纹漏磁场空间分布的平均量，该平均量反映了裂纹长度、宽度、深度和走向等参数对裂纹漏磁场的综合影响。

　　当采用合适的磁路将一强磁场作用于抽油杆并将其磁化至深度饱和时，一旦遇到抽油杆出现裂纹等缺陷，由于材料局部的磁导率降低(磁阻增加)，通过该区域的磁场产生畸变，导致一部分磁场从材料中外泻出来，形成抽油杆表面局部区域中最强的漏磁场，裂纹漏磁场是一个矢量场，可沿抽油杆轴向和径向分解成Bx和By分量，如图1所示。采用霍尔元件检测此两分量均可获得反映裂纹状况的信号，只是检测信号的特征不同。来自径向分量的信号有一个正的和负的最大值(图1中的波形1)，而来自轴向分量的信号值形成一条与高斯曲线相似的曲线(图1中的波形2)。依据检测信号的波形特征可在漏磁探伤传感器中采用轴向聚磁技术或者径向聚磁技术检测某一分量，以大大减少检测元件的数目，并使检测信号的灵敏度和信噪比增强。通过对裂纹漏磁磁场检测信号的特征量即裂纹检测信号峰峰值的定量分析与评价，可获得抽油杆裂纹的位置和大小等信息。裂纹检测信号峰峰值定义为传感器输出的裂纹检测信号中极大值和极小值间的幅度。

　　理论分析和试验结果表明:裂纹检测信号峰峰值主要决定于抽油杆横截面积相对损失量，两者之间具有良好的指数关系，如图2所示。因此，可建立抽油杆裂纹检测信号峰峰值与横截面积相对损失量关系的试验模型，以此作为抽油杆裂纹状况的定量准则，即: