油管螺纹漏磁检测探头的设计

　　检测探头影响整个漏磁检测设备的各项性能指标,包括检测仪器的检测盲区、检测覆盖率、信噪比、灵敏度以及仪器使用的可靠性和方便性等。因此检测探头的设计很重要,其内容主要包括磁敏感元件的选择、检测元件的布置方式以及检测探头结构的设计^[1]。

　　1　油管螺纹区磁场分布规律^[2]

　　油管螺纹区与钢丝绳在结构上有一个共同点,它们在横截面积上都是关于中心对称,在轴向截面上呈周期性结构关系。因此,其表面漏磁场的分布也有着相似的分布规律,即油管螺纹区沿Y轴方向的磁感应强度为:

　　式中　N———离散化后的总采样点数;

　　p———螺纹的螺距,一般p=2.54 mm;

　　Ek———通过磁场边界条件求得的参数,k=1,2,…,N;

　　x———轴向坐标;

　　y———径向坐标。

　　从式(1)可以看出:

　　(1)由油管螺纹引起的漏磁场是沿油管轴向的周期函数,且沿油管周向呈一定的相位延迟关系,其沿轴向的周期由油管螺纹的螺距p确定。

　　(2)油管螺纹区表面不同的缺陷形式(如断扣、根部裂纹、磨损等)将引起磁场边界参数Ek的变化,最终反映在油管螺纹表面径向和切向磁感应强度Br或Bt的变化上。因此,检测并分析不同的漏磁场特征,能够获得缺陷的特征和定量检测结果。

　　(3)油管螺纹区漏磁场的法向磁感应强度Br与检测点到油管螺纹表面的距离近似呈负指数关系。为增强检测信号,在传感器设计过程中,应该尽量减小磁敏检测元件与油管螺纹间的间隙;同时,为确保检测信号的稳定可靠,应保证这一间隙在检测过程中恒定。

　　2　磁敏元件的选择

　　根据磁场信号的强弱,可分别采用感应线圈、霍尔效应元件、磁敏二极管三极管、磁通门、核磁共振等方法来测量磁场。油管螺纹缺陷产生的漏磁场强度在1~10 mT之间,因此,上述方法除核磁共振太昂贵外,其它方法均可采用。考虑到经济性和实用性,通常采用感应线圈和霍尔元件检测磁场信号。

　　当检测用感应线圈与钢丝绳间产生相对运动时,线圈切割漏磁场产生感应电势Uc为:

　　式中　n———线圈匝数;

　　Ф———通过单匝线圈的磁通量;

　　B———磁感应强度;

　　S———单匝线圈面积。

　　当相对运动发生变化或运动过程不是很平稳时,Uc将随之变化,即检测信号幅度受检测速度的影响,且感应线圈的感应面比较大,获取的是其感应区内整个磁场的变化,而在该感应区内,由油管螺纹感应到的漏磁场信号的变化要明显大于由缺陷所引起的漏磁场的变化,信号信噪比较低。因此,决定采用霍尔元件进行漏磁场检测。