MTC鋼絲繩電腦探傷儀在油田的應(yīng)用

　　1 問題的提出

　　鋼絲繩在油氣田勘探開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛，如在鉆、修井機(jī)、油井抽油、撈砂、頓鉆和清屑等方面都大量使用。 鋼絲繩在工作過程中，會(huì)發(fā)生疲勞、銹蝕、磨損、斷絲等現(xiàn)象，從而影響到設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行和人員的生命安全。 近年來，隨著我國(guó)深井和超深井鉆探開采工作的不斷發(fā)展，鉆井鋼絲繩的使用條件更加惡劣， 發(fā)生了許多鋼絲繩斷裂事故，損失慘重，因此進(jìn)行鋼絲繩剩余強(qiáng)度定量評(píng)定方法及檢測(cè)方法的研究具有重要意義。

　　傳統(tǒng)的鋼絲繩檢測(cè)方法是人工目視檢查。 這一方法由專職檢測(cè)人員定期對(duì)使用中的鋼絲繩進(jìn)行觀察。 采用卡尺測(cè)量繩徑，手摸或肉眼尋找缺陷。 顯然，人工目視檢查只能發(fā)現(xiàn)鋼絲繩中露在外部的缺陷(如斷絲)，而對(duì)內(nèi)部的斷絲、銹蝕等缺陷則無能為力。 且人工檢查速度較慢，受人為因素影響較大，檢查結(jié)果可靠性差。

　　目前， 鋼絲繩判廢切除主要是依據(jù) API RP 9B規(guī)則《油田用鋼絲繩的使用、維護(hù)推薦做法》，該規(guī)則根據(jù)鋼絲繩的使用工作量評(píng)定鋼絲繩的壽命，即以鋼絲繩承受的載荷與工作行程作為鋼絲繩報(bào)廢切除的依據(jù)，這是一種經(jīng)驗(yàn)的定性的方法，對(duì)具體工況下鋼絲繩的損傷和壽命無法較準(zhǔn)確地評(píng)定：要么對(duì)鋼絲繩壽命消耗估計(jì)過少， 導(dǎo)致鋼絲繩斷裂;要么對(duì)鋼絲繩壽命消耗估計(jì)過多，造成過早切除浪費(fèi)。 因此，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行安全性定量評(píng)定是十分必要的。

　　2 MTC 鋼絲繩檢測(cè)原理

　　2.1 組成

　　電腦探傷儀系統(tǒng)的組成如圖 1。 主要由檢測(cè)傳感器、脈沖編碼器、信號(hào)處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、鋼絲繩定量分析軟件及聲光報(bào)警輔助功能裝置構(gòu)成[1,2]。 傳感器將鋼絲繩缺陷所形成的漏磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào); 信號(hào)處理系統(tǒng)將獲得的電信號(hào)經(jīng)放大、濾波、調(diào)理后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換并送到計(jì)算機(jī)的并行口; 脈沖編碼器發(fā)出脈沖控制計(jì)算機(jī)對(duì)并行口數(shù)據(jù)采樣; 鋼絲繩定量分析軟件對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示，并在檢測(cè)到缺陷時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警輔助功能裝置工作[3]。

　　2.2 檢測(cè)原理

　　鋼絲繩表面及內(nèi)部斷絲和因磨損、疲勞、變形等引起的鋼絲繩橫截面中金屬截面積變化從而導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生變化，鋼絲繩檢測(cè)裝置是一種利用磁性檢測(cè)原理定量檢測(cè)漏磁場(chǎng)進(jìn)行缺陷判斷的無損檢測(cè)儀器。

　　磁性檢測(cè)原理是，在磁場(chǎng)的作用下，鋼絲繩上的物理缺陷(如斷絲、銹蝕、磨損等)影響鋼絲繩的磁場(chǎng)分布，利用磁敏檢測(cè)元件(如霍爾元件、感應(yīng)線圈、磁敏二極管、三極管等)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化特征，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過電信號(hào)的變化表征鋼絲繩的物理缺陷[3]。

　　圖 2 為鋼絲繩磁性檢測(cè)原理示意圖， 磁鐵、銜鐵、 磁鐵與鋼絲繩間空氣隙和鋼絲繩構(gòu)成勵(lì)磁回路。 磁鐵將鋼絲繩磁化至飽和狀態(tài)，當(dāng)磁化區(qū)域內(nèi)的鋼絲繩上存在物理缺陷時(shí)，鋼絲繩上的磁場(chǎng)分布就會(huì)變化，磁場(chǎng)分布的變化因缺陷的性質(zhì)不同而不同。 若缺陷為斷絲，在斷絲處由于空氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鋼絲繩磁阻，部分磁力線會(huì)泄漏到鋼絲繩外從而形成漏磁場(chǎng);若缺陷為銹蝕或磨損，鋼絲繩的金屬截面積發(fā)生變化， 而使磁路的主磁通發(fā)生變化。

　　通過布置在鋼絲繩磁化段中部均勻磁場(chǎng)區(qū)域的磁敏檢測(cè)元件檢測(cè)鋼絲繩磁場(chǎng)分布的變化，可以獲得包含鋼絲繩物理缺陷特征的信號(hào)， 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的定量檢測(cè)。 因此根據(jù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和缺陷特征，研究出鋼絲繩檢測(cè)的兩種方法：

　　2.2.1 金屬橫截面積損失檢測(cè)(LMA)

　　其原理是主磁通測(cè)定法，即利用強(qiáng)磁場(chǎng)作為勵(lì)磁源， 將處于兩磁極間的一段鋼絲繩磁化到飽和。根據(jù)磁學(xué)的有關(guān)理論， 鐵磁材料在磁飽和情況下，材料內(nèi)的磁通量與金屬橫截面積的大小成正比，故由傳感器所測(cè)出的磁通量的變化，即為鋼絲繩金屬橫截面積的變化。

　　2.2.2 局部損傷檢測(cè)(LF)

　　局部損傷主要是指斷絲、銹蝕坑、變形等所引起的鋼絲繩局部物理狀態(tài)的退化。 智能鋼絲繩探傷儀采用漏磁檢測(cè)的原理檢測(cè)鋼絲繩中此類損傷。

　　將上述兩路檢測(cè)信號(hào)(LMA)和(LF)以及距離信號(hào)分別送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理， 檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、濾波等處理后有計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和判別，得出檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果可顯示、儲(chǔ)存和打印。

　　鋼絲繩運(yùn)行的位置有光電編碼器編碼后進(jìn)入計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)對(duì)位置編碼器發(fā)出脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，通過邏輯運(yùn)算后得到精確的位置。

　　2.3 設(shè)備技術(shù)性能[1]

　　采用不同的探頭規(guī)格，可以檢測(cè)的鋼絲繩范圍為 Ф5～85mm。

　　檢測(cè)繩長(zhǎng)：≥10 000m，距離分辨率：0.02m。 檢測(cè)繩速：0.3～3.5m/s。

　　LMA 測(cè)量誤差 ：±0.1%(LMA 量程為 20% )， 分辨率：0.01%。

　　LMA 檢測(cè)靈敏度：缺陷寬度≥10mm。

　　LMA 定量分析 ：缺陷寬度≥50mm，銹蝕 、磨損金屬橫截面積>1%。

　　LF 檢測(cè)靈敏度：銹蝕、斷絲、變形、松股。

　　工作溫度：-20℃～40℃。

　　電源：內(nèi)置電池供電。