利用霍爾元件進行油管探傷

1、利用霍爾元件進行油管探傷長江大學(xué)機械工程學(xué)院材料11001班摘要：在現(xiàn)代科技發(fā)展的過程中，大型設(shè)備的使用、維護、檢測當(dāng)然是必不可少的，為了保證工作以及人身的安全性，檢測設(shè)備的好壞性也便成為了重中之重。下面就現(xiàn)行的石油鉆井設(shè)備油管的檢測技術(shù)作一個簡要的說明，霍爾元件的運用越來越廣泛，利用霍爾元件（霍爾傳感器）對油管進行無損探傷成為了一大趨勢，我們根據(jù)無損探傷的原理，在理論的基礎(chǔ)上探討了霍爾元件的原理、使用方法、應(yīng)用實例、信號采集與處理以及一些使用過程中的改進方案。關(guān)鍵詞：霍爾元件 油管 檢測 無損探傷 Oil pipe inspection using Holzer elementAbstrac

2、t: In the process of the development of modern science and technology, the use of large equipment, maintenance, detection is of course essential, in order to ensure the safety of work and personal, quality detection equipment has become the priority among priorities. Following a brief description on

3、 the detection technology of oil drilling equipment - tube current, Holzer element is used more and more widely, the Holzer element (Holzer sensor) for the non-destructive testing has become a major trend of the oil pipe, we according to the principle of nondestructive flaw detection, based on the t

4、heory of principle, Holzer element method of use, application examples, the signal acquisition and processing and use process improvement program.Keywords: Holzer components Tubing Inspection NDT引言 油管是原油生產(chǎn)過程中下入井中并且可以起出的鋼柱管，它是出油氣、注水、注氣、壓裂、酸化等采油采氣作業(yè)、找漏（套管漏失）、找串（固井串槽）、封堵（封堵水層）等井下作業(yè)的通道。抽油管在工作時會承受拉伸、內(nèi)壓、壓

5、裂酸化等惡劣的作業(yè)工作環(huán)境，有關(guān)表面受到腐蝕也是在所難免的，同時在采油作業(yè)中，由于受到溫度和壓力等影響，在活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)以及螺旋彎曲效應(yīng)的的作用下，采油管往往會發(fā)生空間平面正彎曲或空間螺旋彎曲1 ，如此，對于油管的缺陷檢測變得至關(guān)重要。無損檢測的方法有射線檢測法、x射線檢測法、磁粉探傷法、滲透檢測法、微波檢測法、超聲檢測法、渦流檢測法、漏磁檢測法等，在本次論文中是利用霍爾元件進行油管的無損探傷，看重的是霍爾效應(yīng)安全、可靠、精確等優(yōu)點，不同于其他的缺陷檢測方法是，霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，同時測量檢測精準(zhǔn)，因此而被廣泛的利用，因此可以將其應(yīng)用在油管的無損檢測中，

6、因其體積小還可以進行跟蹤監(jiān)測，將其數(shù)據(jù)傳送進計算機得到準(zhǔn)確而快速的分析，從而得到相應(yīng)的設(shè)備操作處理。1.霍爾傳感器簡介1.1霍爾傳感器定義及其特點 霍爾傳感器是一種磁電式傳感器，是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)牢固，體積小、重量輕、壽命長、噪聲小、安裝方便、功耗小、頻率范圍寬（直流到微波），動態(tài)范圍大（輸出電動勢變化范圍可達1000:1）2，對灰塵、油污、水汽及煙霧不敏感等優(yōu)點。1.2霍爾元件基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K單晶薄片（一般為（4*2*

7、0.1）mm3）在它的長度方向兩端面上焊有a,b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)斷面的中間以點的形式對稱的焊接有c,d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾點極，霍爾元件殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。下面給出幾幅霍爾元件封裝圖： (a) (b) (c) (d)（注：以上四幅封裝圖來自百度圖片資源）1.3霍爾效應(yīng)原理及其原理圖1.3.1霍爾效應(yīng)原理圖： (e) (f)圖（e）（f） 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)定義如上霍爾效應(yīng)原理圖所示，霍爾元件長為l,寬為b,厚為d,從左到右通以大小為I的電流，在垂直于霍爾元件平面通以大小為B，

8、方向向上的磁場，電荷在洛倫茲力的作用下向前后兩面運動，直至前后兩面電荷達到平衡，由此前后兩面便產(chǎn)生了電動勢，之一現(xiàn)象便稱之為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢稱為霍爾電勢?；魻栃?yīng)原理實驗表明，在磁場不太強時，電位差與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，與板的厚度d成反比，即 （1）或 （2）式（1）中稱為霍爾系數(shù)，式（2）中稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv / (mA·T)。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運動的帶電粒子即載流子（N型半導(dǎo)體中的載流子是帶負(fù)電荷的電子，P型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。當(dāng)電場作用在運動電子上的力FE與洛倫茲力F相等時，電

9、子的累積便達到動態(tài)平衡，這是便在前后兩面間產(chǎn)生的霍爾電勢大小為：VH=KBIBsin （3）式中KB 霍爾常數(shù)（取決于材質(zhì)、溫度和元件尺寸） B -磁感應(yīng)強度 -電流與磁場方向的夾角2.油管特性2.1油管選材：2.1.1油管選材依據(jù)：材料的選擇依據(jù)主要有:，油管的性能、，油管的工作環(huán)境、，經(jīng)濟指標(biāo)、，安全因素、，制造工藝等方面從油管的性能來看，油管主要的功能就是耐油，所以，對材料組成部分的耐油材質(zhì)是個重點。質(zhì)量上一定要把握好。油管中，也有高壓油管系列，就是我們常說中的高壓膠管。對壓力有要求，所以，作為壓力的承載層鋼絲增強層。鋼絲材質(zhì)這塊必須要選好。從油管的工作環(huán)境，有在露天環(huán)境，機械設(shè)備上，地

10、表上等等，綜合考慮到這些因素，選材質(zhì)上要考慮到抗老化，耐磨等特性。從油管經(jīng)濟指標(biāo)來看，要經(jīng)濟性，就是少用錢，多出產(chǎn)值。一定要考慮材質(zhì)的穩(wěn)定性能，配方的合理性，配方材質(zhì)的性價比。從油管安全因素考慮，要考慮到油管的正常工作環(huán)境所需要的要求，考慮到抗靜電，阻燃，正常的耐壓作用。涉及到這方面的材質(zhì)，要選好，有些多方面要求都涉及的重要性材質(zhì)， 更是重點對待。從油管的制造工藝來看，主要考慮到制造經(jīng)濟性，產(chǎn)品穩(wěn)定性和持續(xù)生產(chǎn)工作的可行性。材質(zhì)上盡量滿足生產(chǎn)要求。2.1.2材料選擇：在鉆井過程中油管需要承受高溫高壓的工作環(huán)境，因此在選材的過程中需要采用具有高硬度高強度高韌性耐壓耐高溫耐腐蝕的等性能的材料，選用

11、SUS316號鋼，此不銹鋼標(biāo)記采用美國牌號，按成分分屬于Cr-Ni系列，其耐蝕性和高溫強度特別好，可在苛刻的條件下使用，加工硬性好無磁性，適于海水用設(shè)備，加上其具有不銹鋼的一系列優(yōu)良性能，可得出選用此種材料可以滿足要求。3.無損探傷3.1無損探傷流程圖 (g)3.2無損探傷原理圖 （h） (i)(a) 元件無缺陷 (b) 元件有缺陷如上圖所示：霍爾元件無損探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性之上，鐵磁性材料在外加磁場的作用下被磁化，通過測量鐵磁性材料外是否由于缺陷所引起的磁導(dǎo)率變化（漏磁現(xiàn)象）來檢查缺陷，當(dāng)元件不存在缺陷時，油管中的磁場線均勻分布，不存在有漏磁現(xiàn)象，如圖（c），也就是說

12、放在管道外的霍爾元件中沒有磁場線通過，即無法產(chǎn)生霍爾電勢，將其與計算機連接，無法在計算機上觀察到波形；當(dāng)元件存在缺陷時，存在漏磁現(xiàn)象，如圖（b），放在油管外的霍爾元件探頭中有磁場線通過，便在霍爾元件兩端產(chǎn)生霍爾電勢，將其連接到計算機上就可以觀察到波形的變化。大量實驗表明：漏磁通的強度與缺陷的大小成正比，根據(jù)式（3）知漏磁場的大小B與霍爾電勢大小成正比，由此可得出油管缺陷的大小與霍爾電勢的大小成正比，所以可以從輸出的波形的變化大小分析出缺陷的大小，從下圖中可以直觀的看出缺陷的大小比較關(guān)系： （j）4.油管的進出檢測設(shè)計4.1此設(shè)計想法由來本次論文主題是利用霍爾元件進行油管的無損探傷，在現(xiàn)階段這種

13、檢測方法已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，由此現(xiàn)在這個基礎(chǔ)上將此種無損探傷方法加以一些改進。石油鉆采技術(shù)在某種程度上已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但對于抽油管而言，它的檢測是非常的重要，其是否損壞直接影響到采油的效率和危害到工作人員的人身安全，因此對它的全方位檢測變得更為重要，由此便有了油管進出監(jiān)測的設(shè)計思想。排除其他的干擾因素，就單根油管而言，要對其進行全方位無損探傷，這個過程需要很長的時間，浪費財力與物力，想到如果能夠每次進油管和出油管對其進行監(jiān)測，并將檢測得到的信息輸入到計算機，就能夠?qū)崟r的得到正在進行工作的油管的安全以及損壞情況，這對于采油效率有了很大的提高，由此便有了此種設(shè)計理念。4.2簡單介紹在每次實

14、行進油管和出油管的預(yù)備過程中，可以利用這一段時間對油管進行一次相對而言還是比較全面的檢測，在此時進行無損檢測有一些優(yōu)點，在進油管和出油管的這兩個過程中，油管下降的速度和旋轉(zhuǎn)的速度都比較低，故在檢測的過程得到的數(shù)據(jù)的精度越高，檢測的越準(zhǔn)確，同時在此兩個過程中受外界干擾的因素很少等等。4.3外觀示意圖由于此次設(shè)計僅限于提出此種設(shè)想，而并不能在一個很短的時間能將其設(shè)計出來，故在此先給出它的設(shè)計示意圖，至于具體尺寸另行給定，在此兩幅設(shè)計示意圖上，可以看到在油管的周圍一定距離處安放了4個霍爾元件探測器，在一定的距離內(nèi)可以檢測到油管因損壞而產(chǎn)生的漏磁感線，為了更為精確的檢測其是否因為現(xiàn)將速度過快或是旋轉(zhuǎn)速

15、度過高而導(dǎo)致一些不易發(fā)現(xiàn)的損傷，我們在這一基礎(chǔ)上安裝了兩排4個一組的霍爾元件探測器，具體情況如下圖所示： （k） (l)其中圖（f）表示為俯視圖 圖 (g) 表示主視圖和左視圖（注：由于此圖為示意圖，存在主俯左視圖之名，但不存在尺寸的約束，所以上方的圖中尺寸并不重要，僅供參考而已。）5結(jié)論結(jié)論一：當(dāng)然利用霍爾元件探測器進行無損探傷的方法也有一定的局限性，它僅限于對磁導(dǎo)體材料物體進行此類無損探傷，因為霍爾元件無損探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性之上，同時它還主要用于圓截面類的物體檢測，而對于非圓截面物體而言，其檢測結(jié)果在一定的區(qū)域內(nèi)并非是真實顯示的，現(xiàn)在就對矩形橫截面的管道進行霍爾元

16、件無損探傷為例來加以說明。實驗的基本原理，兩者基本一樣，示意圖如下圖所示： （m） (n)以上兩幅圖，表示非圓柱截面下的霍爾探測器安裝示意圖，原理幾乎一樣，但由圖可以看出進行此種無損探傷檢測是不合理的，不合理之處在于，見下圖所示： （o）由上圖1、2、3可知對于這三個地方而言，用同一個霍爾元件檢測到的磁通量必定不一樣，所以對這三處的檢測缺少統(tǒng)一性，不能進行統(tǒng)一檢測。結(jié)論二：漏磁通的強度與缺陷的大小成正比，根據(jù)式（3）知漏磁場的大小B與霍爾電勢大小成正比，由此可得出油管缺陷的大小與霍爾電勢的大小成正比，所以可以從輸出的波形的變化大小分析出缺陷的大小。6總結(jié)在此次論文設(shè)計中，我主要研究如何利用霍爾元件探測器實現(xiàn)油管壁缺陷的檢測，通過對霍爾元件、霍爾效應(yīng)的原理、特征的詳細討論，我能夠更深入的了解這一無損探傷的工作原理，同時在現(xiàn)代采油業(yè)的發(fā)展過程中，這一無損檢測方法對于油管的檢測有著很大的幫助，由于輸油管道長期使用中易產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷，