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(wèn)世時(shí)，我國(guó)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(lái)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(guó)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(jiàn)有桿泵采油方式已在我國(guó)的石油開采中占據(jù)了舉足輕重的地位。
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(zhǎng)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(guò)程中，首先需要對(duì)抽油桿進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，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(guò)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。
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(zhǎng)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(zhǎng)度一般為7.62m、8m和9m。常用抽油桿主要規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表7-2。
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(jiàn)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(jiàn)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(jiǎn)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(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(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(yáng)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(jiàn)缺陷如圖7-15所示。
一、檢測(cè)原理
直流磁化利用直流磁化線圈產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)對(duì)被檢測(cè)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(chǎng)波動(dòng)而降低檢測(cè)信號(hào)的信噪比。磁化電流的大小因被測(cè)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(guò)控制輸入電流的大小來(lái)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(cè)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(yīng)，磁化場(chǎng)僅存在于被檢測(cè)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(cè)。
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(chǎng)與恒定直流磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè)探頭的合攏均會(huì)帶來(lái)不便。
檢測(cè)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(cè)。考慮抽油桿桿徑較細(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(wú)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(cè)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(chǎng)，獲得分辨率良好的缺陷漏磁場(chǎng)。此外，從漏磁信號(hào)處理角度來(lái)看，缺陷漏磁場(chǎng)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(cè)速度來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(cè)一致性要求，通常將檢測(cè)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(cè)探頭可以布置在兩個(gè)檢測(cè)線圈中間部位。根據(jù)霍姆赫茲線圈的磁場(chǎng)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(chǎng)，有助于提高檢測(cè)信號(hào)的靈敏度和穩(wěn)定性。
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。
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(chǎng)，均勻軸向磁化場(chǎng)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(cè)方案如圖7-18所示，通過(guò)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(chǎng)，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(guò)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(cè)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。
二、整體方案
抽油桿漏磁自動(dòng)檢測(cè)總體布局如圖7-19所示。抽油桿漏磁自動(dòng)檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)檢測(cè)設(shè)備；檢測(cè)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(guò)。
抽油桿漏磁自動(dòng)檢測(cè)流程分為以下幾步：
1）氣動(dòng)上翻料機(jī)構(gòu)將待檢測(cè)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(cè)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(chǎng)，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(chǎng)。
3）缺陷漏磁場(chǎng)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(guò)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(cè)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(cè)。
1. 壓緊扶正裝置
如圖7-20所示，檢測(cè)主機(jī)由前后兩個(gè)壓緊扶正裝置、中間檢測(cè)探頭板以及磁化器集于一體，組成一個(gè)完整的檢測(cè)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(guò)檢測(cè)探頭板。
2．檢測(cè)探頭
在漏磁檢測(cè)中，被檢測(cè)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(cè)，根據(jù)檢測(cè)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。
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(cè)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(cè)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(zhǎng)、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(zhǎng)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(cè)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(cè)。
三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
抽油桿漏磁自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖7-25所示，該系統(tǒng)可檢測(cè)的抽油桿規(guī)格范圍為φ19～Φ48mm。通過(guò)對(duì)磁化器、傳感器和檢測(cè)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(cè)。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，包括抽油桿上料、傳送、檢測(cè)、分級(jí)、標(biāo)記和退磁等所有檢測(cè)過(guò)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)。
