磁屏蔽器對(duì)鉆桿漏磁信號(hào)的影響

磁屏蔽器對(duì)鉆桿漏磁信號(hào)的影響

鉆頭截面為ii級(jí)爆炸。根據(jù)交流激勵(lì)原理，鉆孔泄漏磁強(qiáng)計(jì)很難工作。為此中國(guó)石油大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于永磁鐵勵(lì)磁原理的井口在線(xiàn)探傷技術(shù),在一定程度上解決了超深鉆井、海上鉆井等工況下鉆桿難以及時(shí)探傷的問(wèn)題。然而由于永磁鐵產(chǎn)生的鉆桿磁飽和強(qiáng)度有限,漏磁檢測(cè)中的信號(hào)信噪比過(guò)低,致使缺陷識(shí)別效果較差。筆者采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法對(duì)漏磁信號(hào)信噪比過(guò)低的原因進(jìn)行了分析,并采用磁屏蔽原理對(duì)漏磁傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改善了漏磁檢測(cè)信號(hào)信噪比。1鉆桿表面磁力線(xiàn)缺陷造成的磁異常磁力線(xiàn)缺陷漏磁檢測(cè)技術(shù)是從磁粉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的,是利用磁現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料工件表面及近表面缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法,漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。鉆桿在外加磁場(chǎng)的作用下被磁化,鉆桿中無(wú)缺陷時(shí),磁力線(xiàn)絕大部分通過(guò)鉆桿內(nèi)部呈均勻分布,在鉆桿外部有少量的漏磁場(chǎng);鉆桿表面及近表面存在缺陷(如裂紋、腐蝕坑或腐蝕孔)時(shí),由于鉆桿中缺陷的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鉆桿材料本身小,經(jīng)過(guò)缺陷的磁力線(xiàn)受阻,從而使通過(guò)該區(qū)域的磁場(chǎng)發(fā)生畸變,磁力線(xiàn)發(fā)生彎曲,部分磁力線(xiàn)漏出鉆桿表面,在缺陷部位形成漏磁場(chǎng)。采用霍爾元件傳感器檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng),將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行處理,可得到缺陷的信息。2鉆桿缺陷漏磁場(chǎng)在漏磁檢測(cè)系統(tǒng)中,霍爾傳感器的測(cè)量結(jié)果包括兩個(gè)部分:缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)和空氣耦合磁場(chǎng)?？諝怦詈洗艌?chǎng)指的是檢測(cè)器的磁極通過(guò)空氣耦合形成的磁場(chǎng)。無(wú)論鉆桿存在缺陷與否,空氣耦合磁場(chǎng)都會(huì)存在。在鉆桿表面有缺陷處,霍爾傳感器測(cè)得的結(jié)果是空氣耦合磁場(chǎng)與缺陷的漏磁場(chǎng)疊加的磁場(chǎng)。由于對(duì)缺陷的分析和量化主要依賴(lài)缺陷漏磁場(chǎng),所以包括空氣耦合磁場(chǎng)在內(nèi)的非缺陷信號(hào)都相當(dāng)于干擾噪聲。用有限元分析鉆桿缺陷漏磁場(chǎng),磁場(chǎng)的特征參量可以通過(guò)給定邊界條件的麥克斯韋方程組求解,其微分形式為:??H=0(1)?×B=J(2)??Η=0(1)?×B=J(2)式中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量;J為永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)等價(jià)的電流密度矢量。利用ANSYS分析軟件建立二維有限元模型可得式(1)和式(2)漏磁場(chǎng)分析的數(shù)值解,所建立有限元模型如圖2所示。本模型對(duì)二維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì),對(duì)永磁體、鋼板、磁軛選用Ansys建模仿真里設(shè)置的二維實(shí)體單元VectQuad8nod53。在漏磁模型中需要定義空氣、磁鐵、磁軛和鉆桿材料的屬性。(1)空氣其磁特性是線(xiàn)性的,定義相對(duì)磁導(dǎo)率為1。(2)鉆桿其材料特性要根據(jù)所選用的管材確定,常用的鉆桿材料有Q235,X52,X60和X70等多種牌號(hào),試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用常用的X52號(hào)鋼。(3)磁頭采用高磁導(dǎo)率的低碳鋼,選St37。(4)anasys-b型勵(lì)磁永磁鐵是通過(guò)磁矯頑力矢量和退磁B-H曲線(xiàn)描述的,不僅要給出磁特性曲線(xiàn),而且要給出它的磁化方向。大多數(shù)漏磁檢測(cè)中選用的都是剩磁、矯頑力、靜態(tài)最大磁能積具有最優(yōu)值的永磁材料Nd-Fe-B型磁鐵作為勵(lì)磁裝置。試驗(yàn)選用釹鐵硼永磁體,型號(hào)為N38。求解得到空氣耦合磁場(chǎng)和缺陷漏磁場(chǎng)的ANSYS仿真圖如圖3所示。從圖3中可以看出,大部分磁力線(xiàn)通過(guò)了磁體、磁軛、管道組成的主磁路。同時(shí)磁極附近有部分磁力線(xiàn)從管壁溢出通過(guò)空氣形成回路,構(gòu)成空氣耦合磁場(chǎng)。在缺陷附近,有部分磁力線(xiàn)透出管壁下表面,即所要測(cè)得的漏磁場(chǎng)。由圖中可見(jiàn),永磁體之間的空氣耦合磁場(chǎng)強(qiáng)度較大,由于此處恰為漏磁信號(hào)傳感器的安裝位置,故空氣耦合磁場(chǎng)將與漏磁場(chǎng)的信號(hào)一同進(jìn)入傳感器中,而傳感器在較強(qiáng)的背景磁場(chǎng)中抖動(dòng)時(shí)易形成磁噪聲,從而降低缺陷信號(hào)的信噪比及其檢測(cè)靈敏度。3減少磁屏蔽干擾如能將干擾磁場(chǎng)屏蔽掉,對(duì)缺陷信號(hào)的拾取及提高漏磁檢測(cè)缺陷的信噪比具有重要意義。所謂磁屏蔽,就是利用金屬板或金屬網(wǎng)將發(fā)射源限定在某個(gè)范圍之內(nèi),使之不向外擴(kuò)散,其目的就是要設(shè)法使某一空間漏磁場(chǎng)的測(cè)量不受外界磁場(chǎng)干擾。采用磁屏蔽技術(shù)后可以減弱外界雜散磁場(chǎng)的影響。有別于傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)方法,采用磁屏蔽技術(shù)的漏磁檢測(cè)方法的特點(diǎn):人為地清除較強(qiáng)的背景磁場(chǎng),讓被磁化的待檢測(cè)導(dǎo)磁構(gòu)件體內(nèi)的磁通在缺陷處無(wú)反向磁壓,最大化地泄漏到所創(chuàng)造的磁真空區(qū)域,形成最大化的缺陷漏磁場(chǎng);同時(shí),將磁敏元件布置于該磁屏蔽區(qū)域內(nèi),拾取該最大化的缺陷泄漏場(chǎng)?；跍p小磁敏元件的外磁場(chǎng)干擾的目的,設(shè)計(jì)了U型磁屏蔽器,將兩永磁體之間的干擾磁場(chǎng)屏蔽。磁屏蔽結(jié)構(gòu)主要作用是引導(dǎo)永磁體側(cè)面磁場(chǎng)通過(guò)隔磁鋼板的高導(dǎo)磁性,沿探頭銜鐵形成磁回路,形成局部磁真空區(qū)泄漏環(huán)境,其原理如圖4所示。4漏磁試驗(yàn)裝置加工為了證實(shí)磁屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)漏磁檢測(cè)方法的可行性,首先采用ANSYS軟件進(jìn)行了有限元仿真,所建立的模型如圖5所示,主要由永磁鐵、磁軛、磁屏蔽器、帶缺陷的鉆桿和空氣區(qū)域構(gòu)成。圖6為使用磁屏蔽技術(shù)的漏磁檢測(cè)方法的ANSYS建模仿真圖。對(duì)比圖6與圖3可見(jiàn),加裝了磁屏蔽器的模型在磁屏蔽器包含空間中的磁場(chǎng)全部為缺陷引起的漏磁場(chǎng),而背景磁場(chǎng)則沿著磁屏蔽器方向形成磁回路,使得傳感器不受背景磁場(chǎng)的干擾,且缺陷處磁場(chǎng)更集中,磁場(chǎng)密度值顯著增大。為了檢驗(yàn)有限元分析結(jié)果,建立了如圖7所示的試驗(yàn)裝置。圖中采用一段長(zhǎng)度約為1m的直徑139mm鉆桿實(shí)物,在其均勻桿體段加工有直徑3mm相距為100mm的2個(gè)通孔。按照有限元模型參數(shù)加工的漏磁試驗(yàn)裝置平行地安放在桿體上方,通過(guò)手搖螺桿送進(jìn)裝置可使其以約0.1m/s速度沿軸向往返移動(dòng)。漏磁試驗(yàn)裝置中裝有1只UG3503集成霍爾元件,通過(guò)1只6009型NI數(shù)據(jù)采集器與PC機(jī)USB端口相連。PC中采用LabVIEW軟件搭建了虛擬儀器,漏磁試驗(yàn)裝置在經(jīng)過(guò)上述通孔時(shí)的漏磁信號(hào)分別如圖8和圖9所示。圖8是未安裝磁屏蔽器采集的,可見(jiàn)缺陷處的漏磁信號(hào)信噪比相對(duì)較小,當(dāng)背景噪聲很強(qiáng)時(shí)極易為其所湮沒(méi);圖9為安裝了磁屏蔽器后采集得到的信號(hào),明顯能看出由于背景磁場(chǎng)的屏蔽,霍爾元件的基電壓明顯變大,并且非常平穩(wěn),沒(méi)有大的突變。與圖8相比,圖9中漏磁信號(hào)峰形突出,兩者的信噪比相差約4.7%。由此表明,磁屏蔽器確可有效改善漏磁信號(hào)信噪比,對(duì)提高缺陷漏磁識(shí)別率具有重要價(jià)值。5u3000永磁體元件間