基于磁屏蔽技術(shù)的鉆桿漏磁無(wú)損檢測(cè)方法

1、利用磁屏蔽效應(yīng)改善鉆桿漏磁探傷信號(hào)信噪比馬義來(lái)，林立，宋強(qiáng)（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京 102249）摘要：漏磁檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是一種高效率的無(wú)損檢測(cè)方法，已被廣泛應(yīng)用于油田鉆桿的檢測(cè)。本文電磁有限元分析表明，有磁屏蔽器存在時(shí)鉆桿漏磁信號(hào)將明顯集中分布于缺陷附近，此時(shí)永磁體元件之間通過(guò)空氣介質(zhì)耦合的背景磁通會(huì)大大降低。鉆桿實(shí)物漏磁測(cè)試證實(shí)了這一分析結(jié)果，配有磁屏蔽器的探頭可明顯提高漏磁信號(hào)信噪比，對(duì)提高缺陷漏磁識(shí)別率具有

2、重要價(jià)值。關(guān)鍵詞：磁屏蔽；漏磁；無(wú)損檢測(cè)；有限元分析Improve SNR of Drill Pipe Leakage Flux Testing Signals by Using Magnetic Shielding EffectMA Yi-lai, LIN Li, SONG Qiang(College of Mechanical and Transportation Engineering in China University of

3、 Petroleum, Beijing 102249)Abstract Abstract：Magnetic flux leakage (MFL) technique is generally considered to be an efficient and effective non-destructive testing (NDT) method and has been widely used in the oil field i

4、nspection industry for the examination of drill pipe. Electromagnetic finite element analysis shows that pipe magnetic flux leakage signals are centralized near defects obviously when the magnetic shielding exists. At th

5、is time, the background magnetic flux between permanent magnet components coupling through the air medium will be reduced greatly. Drill pipe magnetic flux leakage testing confirms the analysis results, and the probe wit

6、h magnetic shielding device can improve SNR of the magnetic flux leakage signals obviously. Thus, it is helpful to improve pipe leakage flux testing sensitivity.Key Key words words：Magnetic shielding; Magnetic flux leaka

7、ge(MFL); Nondestructive testing(NDT); Finite element analysis(FEA)0.引言鉆機(jī)井口部位是 II 級(jí)防爆區(qū)域，基于交流勵(lì)磁原理的鉆桿漏磁探傷成熟技術(shù)難以在此發(fā)揮作用。為此中國(guó)石油大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于永磁鐵勵(lì)磁原理的井口在線探傷技術(shù)，在一定程度上解決了超深鉆井、海上鉆井等工況下鉆桿難以及時(shí)探傷的問(wèn)題[1]。然而由于永磁鐵產(chǎn)生的鉆桿磁飽和強(qiáng)度有限，漏磁檢測(cè)中的信號(hào)信噪比過(guò)低，致使缺陷

8、識(shí)別效果較差。本文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法對(duì)漏磁信號(hào)信噪比過(guò)低的原因進(jìn)行了分析，并采用磁屏蔽原理對(duì)漏磁傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善了漏磁檢測(cè)精度。1.鉆桿漏磁檢測(cè) 1漏磁檢測(cè)技術(shù)是從磁粉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，利用磁現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料工件表面1作者簡(jiǎn)介 作者簡(jiǎn)介：馬義來(lái)（1987-） ，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）在讀研究生，主要從事鉆桿漏磁無(wú)損檢測(cè)方面的研究。E-mail：chantal1314@163.com。在漏磁模型中需要定義空氣、

9、磁鐵、磁軛和鉆桿材料的屬性[5]。（1）空氣 其磁特性是線性的，定義相對(duì)磁導(dǎo)率為 1。（2）鉆桿 其材料特性要根據(jù)所選用的管材確定，常用的鉆桿材料有 Q235，X52，X60和 X70 等多種牌號(hào)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用常用的 X52 號(hào)鋼。（3）磁軛 采用高磁導(dǎo)率的低碳鋼，選 St37。（4）磁鐵 永磁鐵是通過(guò)磁矯頑力矢量和退磁 B-H 曲線描述的，不僅要給出磁特性曲線，而且要給出它的磁化方向。大多數(shù)漏磁檢測(cè)中選用的都是剩磁、矯頑力、靜態(tài)最大磁

10、能積具有最優(yōu)值的永磁材料 Nd-Fe-B 型磁鐵作為勵(lì)磁裝置。本試驗(yàn)選用釹鐵硼永磁體，型號(hào)為 N38。求解得到空氣耦合磁場(chǎng)和缺陷漏磁場(chǎng)的 ANSYS 仿真圖如圖 3 所示。圖 3 空間耦合磁場(chǎng)的分布從圖 3 中可以看出,大部分磁力線通過(guò)了磁體、磁軛、管道組成的主磁路。同時(shí)磁極附近有部分磁力線從管壁漏出通過(guò)空氣形成回路，構(gòu)成空氣耦合磁場(chǎng)。在缺陷附近,有部分磁力線透出管壁上下表面，即所要測(cè)得漏磁場(chǎng)。由圖中可見(jiàn)，永磁體之間的空氣耦合磁場(chǎng)強(qiáng)度較

11、大。由于此處恰為漏磁信號(hào)傳感器的安裝位置，故空氣耦合磁場(chǎng)將與漏磁場(chǎng)的信號(hào)一同進(jìn)入傳感器中，而傳感器在較強(qiáng)的背景磁場(chǎng)中的抖動(dòng)時(shí)易于形成磁噪聲，從而將降低缺陷信號(hào)的信噪比及其檢測(cè)靈敏度。3.磁屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如能把干擾磁場(chǎng)屏蔽掉將對(duì)缺陷信號(hào)的拾取及提高漏磁檢測(cè)缺陷的信噪比具有重要意義。所謂磁屏蔽，就是利用金屬板或金屬網(wǎng)將發(fā)射源限定在某個(gè)范圍之內(nèi)，使之不向外擴(kuò)散，其目的就是要設(shè)法使某一空間不受外界磁場(chǎng)干擾。漏磁場(chǎng)的測(cè)量最易受到外界磁場(chǎng)的干擾，采

12、用磁屏蔽技術(shù)后可以減弱外界雜散磁場(chǎng)的影響。有別于傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)方法，采用磁屏蔽技術(shù)的漏磁檢測(cè)方法的特點(diǎn)：人為地清除較強(qiáng)的背景磁場(chǎng)，讓被磁化的待檢測(cè)導(dǎo)磁構(gòu)件體內(nèi)的磁通在缺陷處無(wú)反向磁壓最大化地泄漏到所創(chuàng)造的磁真空區(qū)域，形成最大化的缺陷漏磁場(chǎng)；同時(shí)，將磁敏元件布置于該磁屏蔽區(qū)域內(nèi)，拾取該最大化的缺陷泄漏場(chǎng)。本文基于減小磁敏元件的外磁場(chǎng)干擾影響的目的，設(shè)計(jì)了 U 型磁屏蔽器，將兩永磁體之間的干擾磁場(chǎng)屏蔽。磁屏蔽結(jié)構(gòu)主要作用是引導(dǎo)永磁體側(cè)面磁場(chǎng)通