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，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，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。
抽油桿是抽油機(jī)與深井泵之間傳遞動力的重要部件，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）及偏磨等缺陷，從而會降低自身強(qiáng)度，嚴(yán)重時導(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心圓形斷面的鋼桿，當(dāng)桿徑較大時，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。
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(nèi)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(yán)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(nèi)壁產(chǎn)生摩擦碰撞的同時，桿本體與油管內(nèi)壁也會產(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，對電化學(xué)腐蝕起到一個催化作用。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。
一、檢測原理
直流磁化利用直流磁化線圈產(chǎn)生恒定的磁場對被檢測構(gòu)件進(jìn)行磁化，其可分為恒定直流磁化和脈動電流磁化。恒定直流磁化對電源要求較高，整流后產(chǎn)生波動范圍較小的直流電，以免產(chǎn)生磁場波動而降低檢測信號的信噪比。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現(xiàn)調(diào)節(jié)。脈動電流磁化在電氣實現(xiàn)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。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，對抽油桿的前行和檢測探頭的合攏均會帶來不便。
檢測系統(tǒng)主要是針對水平放置在修復(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)，對抽油桿的水平運動、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說，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(yīng)該采用低頻或者高頻。
對于細(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。采用雙勵磁線圈進(jìn)行軸向磁化時，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對稱有限元模型，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?；陔p線圈軸向直流磁化的抽油桿漏磁自動檢測方案如圖7-18所示，通過軸向布置兩個直流勵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，抽油桿桿體缺陷處局部材料的磁導(dǎo)率會降低，磁阻增大，抽油桿桿體內(nèi)部的磁力線會發(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，然后被處于雙勵磁線圈中間的漏磁傳感器拾取，繼而將漏磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，之后經(jīng)過信號放大器進(jìn)行信號放大和濾波處理，并進(jìn)入A-D轉(zhuǎn)換器，完成對漏磁信號的調(diào)理和采集，最終漏磁檢測數(shù)字信號進(jìn)入計算機(jī)上位機(jī)軟件進(jìn)行分析處理和顯示。
二、整體方案
抽油桿漏磁自動檢測總體布局如圖7-19所示。抽油桿漏磁自動檢測系統(tǒng)主要包括：料架、氣動翻料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、氣動壓緊扶正裝置、檢測探頭氣動跟蹤機(jī)構(gòu)。氣動翻料機(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；檢測探頭氣動跟蹤機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)探頭緊貼桿體表面，并保證抽油桿接箍的順利通過。
抽油桿漏磁自動檢測流程分為以下幾步：
1）氣動上翻料機(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)動下勻速傳送至檢測主機(jī)。
2）對磁化器通以直流電，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，缺陷處便會產(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，之后依次經(jīng)過信號放大、濾波、A-D轉(zhuǎn)換，然后完成采集，最后進(jìn)入計算機(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，組成一個完整的檢測設(shè)備單元。氣動壓緊扶正裝置如圖7-21所示，主要由兩個單級臥式擺線針形電動機(jī)、上下壓緊輪、底部支撐氣囊和頂部超薄傳動氣缸組成。壓緊扶正裝置的主要功能是實現(xiàn)傳動構(gòu)件的導(dǎo)向和驅(qū)動，使其平穩(wěn)通過檢測探頭板。
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)某點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的絕對值。為實現(xiàn)各類缺陷的全覆蓋檢測，根據(jù)檢測桿體缺陷產(chǎn)生的信號特性選擇霍爾元件和感應(yīng)線圈兩種傳感器同時作為磁敏感元件，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個感應(yīng)線圈及8個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，檢測元件布置時需注意方位保持一致。
同時，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)計如圖7-24所示，單個瓦狀探靴的有效覆蓋角度為α，相鄰?fù)郀钐窖ソ诲eβ角度布置，從而實現(xiàn)抽油桿的全覆蓋檢測。
三、現(xiàn)場應(yīng)用
抽油桿漏磁自動化檢測系統(tǒng)實物如圖7-25所示，該系統(tǒng)可檢測的抽油桿規(guī)格范圍為φ19～Φ48mm。通過對磁化器、傳感器和檢測探靴的設(shè)計，可對抽油桿桿體表面的裂紋、點狀腐蝕等缺陷進(jìn)行全面可靠的檢測。整個檢測過程可實現(xiàn)自動化，包括抽油桿上料、傳送、檢測、分級、標(biāo)記和退磁等所有檢測過程，具有良好的工程應(yīng)用價值，為抽油桿的修復(fù)提供了基礎(chǔ)。
