在石油工業(yè)中,目前有多種采油方式,其中機(jī)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(tǒng)的組成如圖7-13所示。早在石油工業(yè)問世時(shí),我國所開發(fā)的大多數(shù)油井開采階段都已進(jìn)入了中、高含水期,許多油井的采油方式由原來的自噴式采油轉(zhuǎn)為機(jī)械采油方式,有些油井甚至最初的采油方式就是機(jī)械采油。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全國機(jī)械采油井已占油井總數(shù)的90%以上,機(jī)械采油井中90%以上皆為有桿泵采油方式,可見有桿泵采油方式已在我國的石油開采中占據(jù)了舉足輕重的地位。


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  抽油桿是抽油機(jī)與深井泵之間傳遞動(dòng)力的重要部件,長期在腐蝕介質(zhì)中承受著交變載荷,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(qiáng)度,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)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(fù)新制造工藝被廣泛使用。在此過程中,首先需要對(duì)抽油桿進(jìn)行無損檢測,然后根據(jù)抽油桿質(zhì)量狀況采取合適的修復(fù)工藝。


  常規(guī)抽油桿整體結(jié)構(gòu)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(dāng)桿徑較大時(shí),也有空心結(jié)構(gòu),兩端為鐓粗的桿頭,由外螺紋接頭、應(yīng)力卸荷槽、推承面臺(tái)肩、方徑扳手、鐓粗凸緣和圓弧過渡區(qū)構(gòu)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(guī)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),長度一般為7.62m或8m。根據(jù)API Spec 11B《Specification for Sucker Rods》標(biāo)準(zhǔn),常規(guī)鋼制抽油桿長度一般為7.62m、8m和9m。常用抽油桿主要規(guī)格參數(shù)見表7-2。


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  抽油桿作為連接井上抽油機(jī)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(jī)械磨損、磨料磨損和電化學(xué)腐蝕。


 機(jī)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,常見誘因包括井眼軌跡形狀、桿柱結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的配合。這種常見的桿體缺陷主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:在桿體撓度相對(duì)較小的位置,抽油桿的接箍與抽油管內(nèi)壁極易產(chǎn)生碰撞摩擦,由于油管的摩擦面相對(duì)較大,因此磨損程度較輕,但是桿體接箍和桿頭部分磨損嚴(yán)重;在抽油桿桿體撓度相對(duì)較大的地方,抽油桿的接箍與抽油管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦碰撞的同時(shí),桿本體與油管內(nèi)壁也會(huì)產(chǎn)生摩擦,磨損比較嚴(yán)重,導(dǎo)致桿體出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨。


  腐蝕缺陷是一種廣泛存在的電化學(xué)現(xiàn)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單的累加,而是兩者結(jié)合,相互作用,促使更大的破壞產(chǎn)生。當(dāng)桿體表面被活化,成為電化學(xué)腐蝕的陽極,則形成大陰極小陽極的電化學(xué)腐蝕,而產(chǎn)出液是強(qiáng)電解質(zhì),具有強(qiáng)腐蝕性,對(duì)電化學(xué)腐蝕起到一個(gè)催化作用。其中,陽極則首當(dāng)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(dǎo)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圈產(chǎn)生恒定的磁場對(duì)被檢測構(gòu)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(duì)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)生磁場波動(dòng)而降低檢測信號(hào)的信噪比。磁化電流的大小因被測構(gòu)件的截面積不同而發(fā)生變化,磁化強(qiáng)度的大小通過控制輸入電流的大小來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。脈動(dòng)電流磁化在電氣實(shí)現(xiàn)上相對(duì)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。但由于趨膚效應(yīng),磁化場僅存在于被檢測構(gòu)件表面,因此,交流磁化適合用于鐵磁性構(gòu)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(duì)鐵磁性構(gòu)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(gòu)件構(gòu)成磁回路。它的磁化場與恒定直流磁化產(chǎn)生的磁場有相通性,但磁化強(qiáng)度的調(diào)整不如后者方便,其磁路一旦確定磁化強(qiáng)度大小便不可調(diào)整。永磁磁化的吸力很大,對(duì)抽油桿的前行和檢測探頭的合攏均會(huì)帶來不便。


  檢測系統(tǒng)主要是針對(duì)水平放置在修復(fù)車間內(nèi)的在用抽油桿(即舊抽油桿)進(jìn)行檢測??紤]抽油桿桿徑較細(xì)且兩端存在較大的變徑區(qū)域,永磁磁化的吸力大且尺寸規(guī)格確定后無法進(jìn)行磁化強(qiáng)度的調(diào)節(jié),對(duì)抽油桿的水平運(yùn)動(dòng)、磁化的均勻性和檢測探頭張緊均造成不利影響。直流線圈磁化器具有可調(diào)節(jié)磁化強(qiáng)度的靈活性,該方式能夠在抽油桿桿體內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻的磁化場,獲得分辨率良好的缺陷漏磁場。此外,從漏磁信號(hào)處理角度來看,缺陷漏磁場承載著缺陷的相關(guān)信息,為了更好地辨識(shí)出抽油桿的缺陷信號(hào),勵(lì)磁電流與缺陷信號(hào)頻率之間的差距越大越好。對(duì)于一般的檢測速度來說,缺陷信號(hào)的頻率范圍是幾十赫茲到上百赫茲,故勵(lì)磁電流頻率應(yīng)該采用低頻或者高頻。


  對(duì)于細(xì)長鐵磁性構(gòu)件,磁化方式有單磁化線圈和雙磁化線圈兩種方式,如圖7-16所示。單磁化線圈方式中,為了滿足檢測一致性要求,通常將檢測探頭放置于磁化器內(nèi)部。從而導(dǎo)致線圈內(nèi)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(lì)磁線圈進(jìn)行軸向磁化時(shí),不僅可以縮減線圈內(nèi)外徑,增大抽油桿的磁化強(qiáng)度,增加抽油桿的有效磁化區(qū)域,提高磁化效率,而且檢測探頭可以布置在兩個(gè)檢測線圈中間部位。根據(jù)霍姆赫茲線圈的磁場分布,雙線圈軸向磁化在抽油桿桿體內(nèi)部更易形成密集而均勻的軸向磁化場,有助于提高檢測信號(hào)的靈敏度和穩(wěn)定性。


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  以直徑φ25mm抽油桿中心線為中心建立2D對(duì)稱有限元模型,利用ANSYS仿真軟件計(jì)算獲得不同磁化方式下的抽油桿中心線方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,如圖7-17所示。


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  從圖7-17分析可知,雙線圈在抽油桿桿體內(nèi)更易獲得均勻且磁化強(qiáng)度相對(duì)較大的軸向磁化場,均勻軸向磁化場接近2.2T,且兩磁化線圈的軸向間距達(dá)到了150mm。基于雙線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,通過軸向布置兩個(gè)直流勵(lì)磁線圈將抽油桿桿體磁化到飽和或近飽和狀態(tài),當(dāng)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(dǎo)率會(huì)降低,磁阻增大,抽油桿桿體內(nèi)部的磁力線會(huì)發(fā)生畸變,從而導(dǎo)致部分磁力線泄漏到空氣中,形成缺陷的漏磁場,然后被處于雙勵(lì)磁線圈中間的漏磁傳感器拾取,繼而將漏磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),之后經(jīng)過信號(hào)放大器進(jìn)行信號(hào)放大和濾波處理,并進(jìn)入A-D轉(zhuǎn)換器,完成對(duì)漏磁信號(hào)的調(diào)理和采集,最終漏磁檢測數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)上位機(jī)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(tǒng)主要包括:料架、氣動(dòng)翻料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)壓緊扶正裝置、檢測探頭氣動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)翻料機(jī)構(gòu)完成待檢測抽油桿從上料架到傳送輪以及下料分選區(qū)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(wěn)地通過檢測設(shè)備;檢測探頭氣動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)探頭緊貼桿體表面,并保證抽油桿接箍的順利通過。


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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(jī)構(gòu)將待檢測抽油桿從上料架送至傳送線,抽油桿在傳送機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下勻速傳送至檢測主機(jī)。


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


  3)缺陷漏磁場被漏磁傳感器拾取,并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),之后依次經(jīng)過信號(hào)放大、濾波、A-D轉(zhuǎn)換,然后完成采集,最后進(jìn)入計(jì)算機(jī)的上位機(jī)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(xiàn)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(jī)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(shè)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(jí)臥式擺線針形電動(dòng)機(jī)、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(xiàn)傳動(dòng)構(gòu)件的導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng),使其平穩(wěn)通過檢測探頭板。


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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(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的梯度,兩者存在根本區(qū)別。感應(yīng)線圈和霍爾元件的應(yīng)用也存在根本的不同:感應(yīng)線圈感應(yīng)的是空間內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的梯度,也即變化程度,與磁感應(yīng)強(qiáng)度及其空間分布有關(guān);霍爾元件感應(yīng)的是空間內(nèi)某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的絕對(duì)值。為實(shí)現(xiàn)各類缺陷的全覆蓋檢測,根據(jù)檢測桿體缺陷產(chǎn)生的信號(hào)特性選擇霍爾元件和感應(yīng)線圈兩種傳感器同時(shí)作為磁敏感元件,如圖7-22所示。


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  根據(jù)霍爾元件和感應(yīng)線圈的輸出特性,感應(yīng)線圈雙排交錯(cuò)布置,相鄰感應(yīng)線圈串聯(lián)輸出,感應(yīng)線圈平放布置,可最大限度地拾取缺陷漏磁信號(hào)軸向分量;霍爾元件單排立裝布置,有效拾取缺陷漏磁信號(hào)軸向分量,相鄰霍爾元件檢測信號(hào)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(yīng)線圈及8個(gè)霍爾元件均布于整圓周范圍內(nèi),相鄰感應(yīng)線圈的中心距約為8mm,相鄰感應(yīng)線圈串聯(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(yīng)線圈中放置聚磁鐵心,感應(yīng)線圈和聚磁鐵心的長、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,并延長使用壽命,將感應(yīng)線圈和霍爾元件安裝在瓦狀探靴內(nèi)部,并且在探靴工作表面噴涂耐磨陶瓷。檢測探靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7-24所示,單個(gè)瓦狀探靴的有效覆蓋角度為α,相鄰?fù)郀钐窖ソ诲e(cuò)β角度布置,從而實(shí)現(xiàn)抽油桿的全覆蓋檢測。


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三、現(xiàn)場應(yīng)用


  抽油桿漏磁自動(dòng)化檢測系統(tǒng)實(shí)物如圖7-25所示,該系統(tǒng)可檢測的抽油桿規(guī)格范圍為φ19~Φ48mm。通過對(duì)磁化器、傳感器和檢測探靴的設(shè)計(jì),可對(duì)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)檢測過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,包括抽油桿上料、傳送、檢測、分級(jí)、標(biāo)記和退磁等所有檢測過程,具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值,為抽油桿的修復(fù)提供了基礎(chǔ)。


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