在石油工業(yè)中,目前有多種采油方式,其中機械采油最為普遍和重要,尤其是有桿泵采油,典型的有桿泵抽油系統的組成如圖7-13所示。早在石油工業(yè)問(wèn)世時(shí),我國所開(kāi)發(fā)的大多數油井開(kāi)采階段都已進(jìn)入了中、高含水期,許多油井的采油方式由原來(lái)的自噴式采油轉為機械采油方式,有些油井甚至最初的采油方式就是機械采油。據相關(guān)資料數據統計,目前全國機械采油井已占油井總數的90%以上,機械采油井中90%以上皆為有桿泵采油方式,可見(jiàn)有桿泵采油方式已在我國的石油開(kāi)采中占據了舉足輕重的地位。


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  抽油桿是抽油機與深井泵之間傳遞動(dòng)力的重要部件,長(cháng)期在腐蝕介質(zhì)中承受著(zhù)交變載荷,極易形成如裂紋、腐蝕坑(麻點(diǎn))及偏磨等缺陷,從而會(huì )降低自身強度,嚴重時(shí)導致斷桿事故。為提高抽油桿循環(huán)利用率,一種舊抽油桿的再制造新工藝-冷拔復新制造工藝被廣泛使用。在此過(guò)程中,首先需要對抽油桿進(jìn)行無(wú)損檢測,然后根據抽油桿質(zhì)量狀況采取合適的修復工藝。


  常規抽油桿整體結構如圖7-14所示,抽油桿桿體一般為實(shí)心圓形斷面的鋼桿,當桿徑較大時(shí),也有空心結構,兩端為鐓粗的桿頭,由外螺紋接頭、應力卸荷槽、推承面臺肩、方徑扳手、鐓粗凸緣和圓弧過(guò)渡區構成。外螺紋接頭與接箍相連,方徑扳手裝卸抽油桿接頭時(shí)用于卡住抽油桿鉗。


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  常用抽油桿規格按桿體的外徑一共分為6種,分別是φ13mm、φ16mm、φ19mm、Φ22mm、φ25mm和ф28mm(1/2in、5/8in、3/4in、7/8in、1in和11/8in),長(cháng)度一般為7.62m或8m。根據API Spec 11B《Specification for Sucker Rods》標準,常規鋼制抽油桿長(cháng)度一般為7.62m、8m和9m。常用抽油桿主要規格參數見(jiàn)表7-2。


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  抽油桿作為連接井上抽油機和井下抽油泵柱塞之間的連桿,其產(chǎn)生的最典型缺陷形式就是磨損。抽油桿與抽油管之間的磨損形式主要包括機械磨損、磨料磨損和電化學(xué)腐蝕。


 機械磨損是單純的抽油桿桿體與油管體發(fā)生偏磨,影響因素眾多,常見(jiàn)誘因包括井眼軌跡形狀、桿柱結構及工作參數的配合。這種常見(jiàn)的桿體缺陷主要表現在兩個(gè)方面:在桿體撓度相對較小的位置,抽油桿的接箍與抽油管內壁極易產(chǎn)生碰撞摩擦,由于油管的摩擦面相對較大,因此磨損程度較輕,但是桿體接箍和桿頭部分磨損嚴重;在抽油桿桿體撓度相對較大的地方,抽油桿的接箍與抽油管內壁產(chǎn)生摩擦碰撞的同時(shí),桿本體與油管內壁也會(huì )產(chǎn)生摩擦,磨損比較嚴重,導致桿體出現嚴重偏磨。


  腐蝕缺陷是一種廣泛存在的電化學(xué)現象,受介質(zhì)環(huán)境的影響巨大。桿體的偏磨與腐蝕缺陷并不是簡(jiǎn)單的累加,而是兩者結合,相互作用,促使更大的破壞產(chǎn)生。當桿體表面被活化,成為電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極,則形成大陰極小陽(yáng)極的電化學(xué)腐蝕,而產(chǎn)出液是強電解質(zhì),具有強腐蝕性,對電化學(xué)腐蝕起到一個(gè)催化作用。其中,陽(yáng)極則首當其沖,即發(fā)生桿體偏磨的位置會(huì )優(yōu)先發(fā)生電化學(xué)腐蝕,導致產(chǎn)生桿體偏磨的表面更加粗糙,加劇磨損。抽油桿桿體的常見(jiàn)缺陷如圖7-15所示。


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一、檢測原理


  直流磁化利用直流磁化線(xiàn)圈產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)對被檢測構件進(jìn)行磁化,其可分為恒定直流磁化和脈動(dòng)電流磁化。恒定直流磁化對電源要求較高,整流后產(chǎn)生波動(dòng)范圍較小的直流電,以免產(chǎn)生磁場(chǎng)波動(dòng)而降低檢測信號的信噪比。磁化電流的大小因被測構件的截面積不同而發(fā)生變化,磁化強度的大小通過(guò)控制輸入電流的大小來(lái)實(shí)現調節。脈動(dòng)電流磁化在電氣實(shí)現上相對容易,是剩磁法檢測中較常使用的直流磁化方式。


  交流磁化是向磁化器中施以交變電流,進(jìn)而產(chǎn)生交變的磁化場(chǎng)。但由于趨膚效應,磁化場(chǎng)僅存在于被檢測構件表面,因此,交流磁化適合用于鐵磁性構件表面或近表層缺陷的檢測。


  永磁磁化以永久磁鐵作為磁源對鐵磁性構件施加磁化。在永久磁鐵磁化中通常采用磁鐵、銜鐵以及鐵磁性構件構成磁回路。它的磁化場(chǎng)與恒定直流磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)有相通性,但磁化強度的調整不如后者方便,其磁路一旦確定磁化強度大小便不可調整。永磁磁化的吸力很大,對抽油桿的前行和檢測探頭的合攏均會(huì )帶來(lái)不便。


  檢測系統主要是針對水平放置在修復車(chē)間內的在用抽油桿(即舊抽油桿)進(jìn)行檢測??紤]抽油桿桿徑較細且兩端存在較大的變徑區域,永磁磁化的吸力大且尺寸規格確定后無(wú)法進(jìn)行磁化強度的調節,對抽油桿的水平運動(dòng)、磁化的均勻性和檢測探頭張緊均造成不利影響。直流線(xiàn)圈磁化器具有可調節磁化強度的靈活性,該方式能夠在抽油桿桿體內部產(chǎn)生穩定、均勻的磁化場(chǎng),獲得分辨率良好的缺陷漏磁場(chǎng)。此外,從漏磁信號處理角度來(lái)看,缺陷漏磁場(chǎng)承載著(zhù)缺陷的相關(guān)信息,為了更好地辨識出抽油桿的缺陷信號,勵磁電流與缺陷信號頻率之間的差距越大越好。對于一般的檢測速度來(lái)說(shuō),缺陷信號的頻率范圍是幾十赫茲到上百赫茲,故勵磁電流頻率應該采用低頻或者高頻。


  對于細長(cháng)鐵磁性構件,磁化方式有單磁化線(xiàn)圈和雙磁化線(xiàn)圈兩種方式,如圖7-16所示。單磁化線(xiàn)圈方式中,為了滿(mǎn)足檢測一致性要求,通常將檢測探頭放置于磁化器內部。從而導致線(xiàn)圈內外徑增大,磁通量在抽油桿桿體外的空氣中損失大,磁化效率低且磁化效果差。采用雙勵磁線(xiàn)圈進(jìn)行軸向磁化時(shí),不僅可以縮減線(xiàn)圈內外徑,增大抽油桿的磁化強度,增加抽油桿的有效磁化區域,提高磁化效率,而且檢測探頭可以布置在兩個(gè)檢測線(xiàn)圈中間部位。根據霍姆赫茲線(xiàn)圈的磁場(chǎng)分布,雙線(xiàn)圈軸向磁化在抽油桿桿體內部更易形成密集而均勻的軸向磁化場(chǎng),有助于提高檢測信號的靈敏度和穩定性。


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  以直徑φ25mm抽油桿中心線(xiàn)為中心建立2D對稱(chēng)有限元模型,利用ANSYS仿真軟件計算獲得不同磁化方式下的抽油桿中心線(xiàn)方向的磁感應強度,如圖7-17所示。


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  從圖7-17分析可知,雙線(xiàn)圈在抽油桿桿體內更易獲得均勻且磁化強度相對較大的軸向磁化場(chǎng),均勻軸向磁化場(chǎng)接近2.2T,且兩磁化線(xiàn)圈的軸向間距達到了150mm?;陔p線(xiàn)圈軸向直流磁化的抽油桿漏磁自動(dòng)檢測方案如圖7-18所示,通過(guò)軸向布置兩個(gè)直流勵磁線(xiàn)圈將抽油桿桿體磁化到飽和或近飽和狀態(tài),當抽油桿桿體表面有缺陷存在時(shí),抽油桿桿體缺陷處局部材料的磁導率會(huì )降低,磁阻增大,抽油桿桿體內部的磁力線(xiàn)會(huì )發(fā)生畸變,從而導致部分磁力線(xiàn)泄漏到空氣中,形成缺陷的漏磁場(chǎng),然后被處于雙勵磁線(xiàn)圈中間的漏磁傳感器拾取,繼而將漏磁信號轉換為電壓信號,之后經(jīng)過(guò)信號放大器進(jìn)行信號放大和濾波處理,并進(jìn)入A-D轉換器,完成對漏磁信號的調理和采集,最終漏磁檢測數字信號進(jìn)入計算機上位機軟件進(jìn)行分析處理和顯示。


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二、整體方案


  抽油桿漏磁自動(dòng)檢測總體布局如圖7-19所示。抽油桿漏磁自動(dòng)檢測系統主要包括:料架、氣動(dòng)翻料機構、傳送機構、氣動(dòng)壓緊扶正裝置、檢測探頭氣動(dòng)跟蹤機構。氣動(dòng)翻料機構完成待檢測抽油桿從上料架到傳送輪以及下料分選區的傳遞工作;氣動(dòng)壓緊扶正裝置主要用于壓緊和扶正抽油桿桿體,使其平穩地通過(guò)檢測設備;檢測探頭氣動(dòng)跟蹤機構用于實(shí)現探頭緊貼桿體表面,并保證抽油桿接箍的順利通過(guò)。


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 抽油桿漏磁自動(dòng)檢測流程分為以下幾步:


  1)氣動(dòng)上翻料機構將待檢測抽油桿從上料架送至傳送線(xiàn),抽油桿在傳送機構的驅動(dòng)下勻速傳送至檢測主機。


  2)對磁化器通以直流電,使得磁化器產(chǎn)生穩定的軸向磁化場(chǎng),將抽油桿桿體軸向磁化至飽和或近飽和狀態(tài)。當抽油桿桿體存在缺陷時(shí),缺陷處便會(huì )產(chǎn)生相應的漏磁場(chǎng)。


  3)缺陷漏磁場(chǎng)被漏磁傳感器拾取,并轉換為電壓信號,之后依次經(jīng)過(guò)信號放大、濾波、A-D轉換,然后完成采集,最后進(jìn)入計算機的上位機軟件進(jìn)行顯示和處理。


  4)抽油桿檢測完成之后,利用退磁器實(shí)現退磁,之后進(jìn)行下一根抽油桿的循環(huán)檢測。


1. 壓緊扶正裝置


  如圖7-20所示,檢測主機由前后兩個(gè)壓緊扶正裝置、中間檢測探頭板以及磁化器集于一體,組成一個(gè)完整的檢測設備單元。氣動(dòng)壓緊扶正裝置如圖7-21所示,主要由兩個(gè)單級臥式擺線(xiàn)針形電動(dòng)機、上下壓緊輪、底部支撐氣囊和頂部超薄傳動(dòng)氣缸組成。壓緊扶正裝置的主要功能是實(shí)現傳動(dòng)構件的導向和驅動(dòng),使其平穩通過(guò)檢測探頭板。


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2.檢測探頭


  在漏磁檢測中,被檢測的量包括磁感應強度和磁感應強度的梯度,兩者存在根本區別。感應線(xiàn)圈和霍爾元件的應用也存在根本的不同:感應線(xiàn)圈感應的是空間內磁感應強度的梯度,也即變化程度,與磁感應強度及其空間分布有關(guān);霍爾元件感應的是空間內某點(diǎn)的磁感應強度的絕對值。為實(shí)現各類(lèi)缺陷的全覆蓋檢測,根據檢測桿體缺陷產(chǎn)生的信號特性選擇霍爾元件和感應線(xiàn)圈兩種傳感器同時(shí)作為磁敏感元件,如圖7-22所示。


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  根據霍爾元件和感應線(xiàn)圈的輸出特性,感應線(xiàn)圈雙排交錯布置,相鄰感應線(xiàn)圈串聯(lián)輸出,感應線(xiàn)圈平放布置,可最大限度地拾取缺陷漏磁信號軸向分量;霍爾元件單排立裝布置,有效拾取缺陷漏磁信號軸向分量,相鄰霍爾元件檢測信號并聯(lián)輸出,磁敏感元件全覆蓋布置,如圖7-23所示。將16個(gè)感應線(xiàn)圈及8個(gè)霍爾元件均布于整圓周范圍內,相鄰感應線(xiàn)圈的中心距約為8mm,相鄰感應線(xiàn)圈串聯(lián)輸出;相鄰霍爾元件中心相距約為11mm,相鄰霍爾元件并聯(lián)后單通道輸出,檢測元件布置時(shí)需注意方位保持一致。


  同時(shí),在感應線(xiàn)圈中放置聚磁鐵心,感應線(xiàn)圈和聚磁鐵心的長(cháng)、寬、高尺寸分別為:6mm×2mm×3mm和5mm×1.5mm×3mm。為給傳感器提供良好的工作環(huán)境,并延長(cháng)使用壽命,將感應線(xiàn)圈和霍爾元件安裝在瓦狀探靴內部,并且在探靴工作表面噴涂耐磨陶瓷。檢測探靴的結構設計如圖7-24所示,單個(gè)瓦狀探靴的有效覆蓋角度為α,相鄰瓦狀探靴交錯β角度布置,從而實(shí)現抽油桿的全覆蓋檢測。


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三、現場(chǎng)應用


  抽油桿漏磁自動(dòng)化檢測系統實(shí)物如圖7-25所示,該系統可檢測的抽油桿規格范圍為φ19~Φ48mm。通過(guò)對磁化器、傳感器和檢測探靴的設計,可對抽油桿桿體表面的裂紋、點(diǎn)狀腐蝕等缺陷進(jìn)行全面可靠的檢測。整個(gè)檢測過(guò)程可實(shí)現自動(dòng)化,包括抽油桿上料、傳送、檢測、分級、標記和退磁等所有檢測過(guò)程,具有良好的工程應用價(jià)值,為抽油桿的修復提供了基礎。


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