在石(shi)油工業中，目前(qian)有多種采油方式，其中機械采油最為普遍和重要，尤其是有杆泵采油，典型的有杆泵抽油係統的組成(cheng)如圖7-13所示。早(zao)在石(shi)油工業問(wen)世時，我國(guo)所開發的大多數油井開采階段都已(yi)進入了中、高含水期，許(xu)多油井的采油方式由原來的自(zi)噴(pen)式采油轉為機械采油方式，有些油井甚(shen)至最初的采油方式就(jiu)是機械采油。據相關資料數據統計(ji)，目前(qian)全國(guo)機械采油井已(yi)占油井總數的90％以上，機械采油井中90％以上皆(jie)為有杆泵采油方式，可見有杆泵采油方式已(yi)在我國(guo)的石(shi)油開采中占據了舉足輕重的地位。
抽油杆是抽油機與深井泵之(zhi)間傳遞動力的重要部件，長期在腐蝕介質中承受著(zhou)交變載荷，極易形(xing)成(cheng)如裂紋、腐蝕坑（麻點）及偏磨等缺陷，從而(er)會降低自(zi)身(shen)強(qiang)度，嚴(yan)重時導(dao)致(zhi)斷杆事故(gu)。為提高抽油杆循環利用率，一種舊抽油杆的再製造新工藝-冷拔複新製造工藝被(bei)廣泛(fan)使(shi)用。在此過程中，首先需要對抽油杆進行無損檢測，然後根據抽油杆質量狀況采取合適的修複工藝。
常規抽油杆整體結構如圖7-14所示，抽油杆杆體一般為實心圓形(xing)斷麵的鋼杆，當(dang)杆徑較(jiao)大時，也有空心結構，兩端為鐓(dun)粗(cu)的杆頭，由外螺紋接頭、應力卸荷槽、推承麵台肩、方徑扳手、鐓(dun)粗(cu)凸緣和圓弧(hu)過渡區構成(cheng)。外螺紋接頭與接箍(gu)相連，方徑扳手裝(zhuang)卸抽油杆接頭時用於卡住抽油杆鉗(qian)。
常用抽油杆規格按杆體的外徑一共分為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API Spec 11B《Specification for Sucker Rods》標準，常規鋼製抽油杆長度一般為7.62m、8m和9m。常用抽油杆主要規格參數見表7-2。
抽油杆作為連接井上抽油機和井下抽油泵柱(zhu)塞之(zhi)間的連杆，其產生的最典型缺陷形(xing)式就(jiu)是磨損。抽油杆與抽油管之(zhi)間的磨損形(xing)式主要包括機械磨損、磨料磨損和電化學腐蝕。
機械磨損是單純的抽油杆杆體與油管體發生偏磨，影響因素(su)眾(zhong)多，常見誘(you)因包括井眼軌(gui)跡形(xing)狀、杆柱(zhu)結構及工作參數的配合。這(zhe)種常見的杆體缺陷主要表現在兩個方麵：在杆體撓度相對較(jiao)小的位置，抽油杆的接箍(gu)與抽油管內壁極易產生碰撞摩(mo)擦，由於油管的摩(mo)擦麵相對較(jiao)大，因此磨損程度較(jiao)輕，但是杆體接箍(gu)和杆頭部分磨損嚴(yan)重；在抽油杆杆體撓度相對較(jiao)大的地方，抽油杆的接箍(gu)與抽油管內壁產生摩(mo)擦碰撞的同時，杆本(ben)體與油管內壁也會產生摩(mo)擦，磨損比較(jiao)嚴(yan)重，導(dao)致(zhi)杆體出現嚴(yan)重偏磨。
腐蝕缺陷是一種廣泛(fan)存在的電化學現象，受介質環境(jing)的影響巨(ju)大。杆體的偏磨與腐蝕缺陷並不是簡單的累加，而(er)是兩者結合，相互作用，促使(shi)更(geng)大的破壞(huai)產生。當(dang)杆體表麵被(bei)活化，成(cheng)為電化學腐蝕的陽極，則形(xing)成(cheng)大陰(yin)極小陽極的電化學腐蝕，而(er)產出液是強(qiang)電解質，具有強(qiang)腐蝕性，對電化學腐蝕起(qi)到一個催化作用。其中，陽極則首當(dang)其衝，即發生杆體偏磨的位置會優先發生電化學腐蝕，導(dao)致(zhi)產生杆體偏磨的表麵更(geng)加粗(cu)糙，加劇磨損。抽油杆杆體的常見缺陷如圖7-15所示。
一、檢測原理
直流磁化利用直流磁化線圈產生恒(heng)定的磁場對被(bei)檢測構件進行磁化，其可分為恒(heng)定直流磁化和脈動電流磁化。恒(heng)定直流磁化對電源要求較(jiao)高，整流後產生波動範(fan)圍較(jiao)小的直流電，以免產生磁場波動而(er)降低檢測信(xin)號的信(xin)噪比。磁化電流的大小因被(bei)測構件的截(jie)麵積不同而(er)發生變化，磁化強(qiang)度的大小通過控(kong)製輸入電流的大小來實現調節(jie)。脈動電流磁化在電氣實現上相對容易，是剩磁法檢測中較(jiao)常使(shi)用的直流磁化方式。
交流磁化是向磁化器中施以交變電流，進而(er)產生交變的磁化場。但由於趨(qu)膚效應，磁化場僅存在於被(bei)檢測構件表麵，因此，交流磁化適合用於鐵(tie)磁性構件表麵或近表層缺陷的檢測。
永磁磁化以永久磁鐵(tie)作為磁源對鐵(tie)磁性構件施加磁化。在永久磁鐵(tie)磁化中通常采用磁鐵(tie)、銜(xian)鐵(tie)以及鐵(tie)磁性構件構成(cheng)磁回路(lu)。它的磁化場與恒(heng)定直流磁化產生的磁場有相通性，但磁化強(qiang)度的調整不如後者方便(bian)，其磁路(lu)一旦確(que)定磁化強(qiang)度大小便(bian)不可調整。永磁磁化的吸力很(hen)大，對抽油杆的前(qian)行和檢測探頭的合攏均會帶來不便(bian)。
檢測係統主要是針對水平放置在修複車間內的在用抽油杆（即舊抽油杆）進行檢測。考慮(lv)抽油杆杆徑較(jiao)細且兩端存在較(jiao)大的變徑區域，永磁磁化的吸力大且尺寸規格確(que)定後無法進行磁化強(qiang)度的調節(jie)，對抽油杆的水平運動、磁化的均勻性和檢測探頭張緊均造成(cheng)不利影響。直流線圈磁化器具有可調節(jie)磁化強(qiang)度的靈(ling)活性，該方式能夠在抽油杆杆體內部產生穩定、均勻的磁化場，獲(huo)得分辨率良(liang)好的缺陷漏(lou)磁場。此外，從漏(lou)磁信(xin)號處理角度來看，缺陷漏(lou)磁場承載著(zhou)缺陷的相關信(xin)息，為了更(geng)好地辨識出抽油杆的缺陷信(xin)號，勵(li)磁電流與缺陷信(xin)號頻率之(zhi)間的差距越大越好。對於一般的檢測速度來說，缺陷信(xin)號的頻率範(fan)圍是幾十(shi)赫茲到上百赫茲，故(gu)勵(li)磁電流頻率應該采用低頻或者高頻。
對於細長鐵(tie)磁性構件，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(zhi)性要求，通常將檢測探頭放置於磁化器內部。從而(er)導(dao)致(zhi)線圈內外徑增大，磁通量在抽油杆杆體外的空氣中損失大，磁化效率低且磁化效果差。采用雙勵(li)磁線圈進行軸向磁化時，不僅可以縮(suo)減線圈內外徑，增大抽油杆的磁化強(qiang)度，增加抽油杆的有效磁化區域，提高磁化效率，而(er)且檢測探頭可以布置在兩個檢測線圈中間部位。根據霍(huo)姆赫茲線圈的磁場分布，雙線圈軸向磁化在抽油杆杆體內部更(geng)易形(xing)成(cheng)密集而(er)均勻的軸向磁化場，有助於提高檢測信(xin)號的靈(ling)敏(min)度和穩定性。
以直徑φ25mm抽油杆中心線為中心建立2D對稱有限元(yuan)模(mo)型，利用ANSYS仿真軟件計(ji)算獲(huo)得不同磁化方式下的抽油杆中心線方向的磁感應強(qiang)度，如圖7-17所示。
從圖7-17分析可知，雙線圈在抽油杆杆體內更(geng)易獲(huo)得均勻且磁化強(qiang)度相對較(jiao)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到了150mm。基於雙線圈軸向直流磁化的抽油杆漏(lou)磁自(zi)動檢測方案如圖7-18所示，通過軸向布置兩個直流勵(li)磁線圈將抽油杆杆體磁化到飽和或近飽和狀態(tai)，當(dang)抽油杆杆體表麵有缺陷存在時，抽油杆杆體缺陷處局部材料的磁導(dao)率會降低，磁阻增大，抽油杆杆體內部的磁力線會發生畸變，從而(er)導(dao)致(zhi)部分磁力線泄漏(lou)到空氣中，形(xing)成(cheng)缺陷的漏(lou)磁場，然後被(bei)處於雙勵(li)磁線圈中間的漏(lou)磁傳感器拾取，繼而(er)將漏(lou)磁信(xin)號轉換為電壓信(xin)號，之(zhi)後經過信(xin)號放大器進行信(xin)號放大和濾波處理，並進入A-D轉換器，完成(cheng)對漏(lou)磁信(xin)號的調理和采集，最終漏(lou)磁檢測數字信(xin)號進入計(ji)算機上位機軟件進行分析處理和顯示。
二、整體方案
抽油杆漏(lou)磁自(zi)動檢測總體布局如圖7-19所示。抽油杆漏(lou)磁自(zi)動檢測係統主要包括：料架、氣動翻料機構、傳送機構、氣動壓緊扶(fu)正裝(zhuang)置、檢測探頭氣動跟蹤機構。氣動翻料機構完成(cheng)待檢測抽油杆從上料架到傳送輪以及下料分選區的傳遞工作；氣動壓緊扶(fu)正裝(zhuang)置主要用於壓緊和扶(fu)正抽油杆杆體，使(shi)其平穩地通過檢測設備；檢測探頭氣動跟蹤機構用於實現探頭緊貼(tie)杆體表麵，並保證抽油杆接箍(gu)的順利通過。
抽油杆漏(lou)磁自(zi)動檢測流程分為以下幾步(bu)：
1）氣動上翻料機構將待檢測抽油杆從上料架送至傳送線，抽油杆在傳送機構的驅動下勻速傳送至檢測主機。
2）對磁化器通以直流電，使(shi)得磁化器產生穩定的軸向磁化場，將抽油杆杆體軸向磁化至飽和或近飽和狀態(tai)。當(dang)抽油杆杆體存在缺陷時，缺陷處便(bian)會產生相應的漏(lou)磁場。
3）缺陷漏(lou)磁場被(bei)漏(lou)磁傳感器拾取，並轉換為電壓信(xin)號，之(zhi)後依(yi)次經過信(xin)號放大、濾波、A-D轉換，然後完成(cheng)采集，最後進入計(ji)算機的上位機軟件進行顯示和處理。
4）抽油杆檢測完成(cheng)之(zhi)後，利用退磁器實現退磁，之(zhi)後進行下一根抽油杆的循環檢測。
1. 壓緊扶(fu)正裝(zhuang)置
如圖7-20所示，檢測主機由前(qian)後兩個壓緊扶(fu)正裝(zhuang)置、中間檢測探頭板以及磁化器集於一體，組成(cheng)一個完整的檢測設備單元(yuan)。氣動壓緊扶(fu)正裝(zhuang)置如圖7-21所示，主要由兩個單級臥式擺(bai)線針形(xing)電動機、上下壓緊輪、底部支(zhi)撐(cheng)氣囊和頂部超薄傳動氣缸組成(cheng)。壓緊扶(fu)正裝(zhuang)置的主要功能是實現傳動構件的導(dao)向和驅動，使(shi)其平穩通過檢測探頭板。
2．檢測探頭
在漏(lou)磁檢測中，被(bei)檢測的量包括磁感應強(qiang)度和磁感應強(qiang)度的梯(ti)度，兩者存在根本(ben)區別。感應線圈和霍(huo)爾元(yuan)件的應用也存在根本(ben)的不同：感應線圈感應的是空間內磁感應強(qiang)度的梯(ti)度，也即變化程度，與磁感應強(qiang)度及其空間分布有關；霍(huo)爾元(yuan)件感應的是空間內某點的磁感應強(qiang)度的絕(jue)對值(zhi)。為實現各類缺陷的全覆蓋檢測，根據檢測杆體缺陷產生的信(xin)號特(te)性選擇(ze)霍(huo)爾元(yuan)件和感應線圈兩種傳感器同時作為磁敏(min)感元(yuan)件，如圖7-22所示。
根據霍(huo)爾元(yuan)件和感應線圈的輸出特(te)性，感應線圈雙排(pai)交錯布置，相鄰感應線圈串聯輸出，感應線圈平放布置，可最大限度地拾取缺陷漏(lou)磁信(xin)號軸向分量；霍(huo)爾元(yuan)件單排(pai)立裝(zhuang)布置，有效拾取缺陷漏(lou)磁信(xin)號軸向分量，相鄰霍(huo)爾元(yuan)件檢測信(xin)號並聯輸出，磁敏(min)感元(yuan)件全覆蓋布置，如圖7-23所示。將16個感應線圈及8個霍(huo)爾元(yuan)件均布於整圓周範(fan)圍內，相鄰感應線圈的中心距約(yue)為8mm，相鄰感應線圈串聯輸出；相鄰霍(huo)爾元(yuan)件中心相距約(yue)為11mm，相鄰霍(huo)爾元(yuan)件並聯後單通道輸出，檢測元(yuan)件布置時需注意(yi)方位保持一致(zhi)。
同時，在感應線圈中放置聚(ju)磁鐵(tie)心，感應線圈和聚(ju)磁鐵(tie)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(gong)良(liang)好的工作環境(jing)，並延長使(shi)用壽(shou)命(ming)，將感應線圈和霍(huo)爾元(yuan)件安裝(zhuang)在瓦狀探靴內部，並且在探靴工作表麵噴(pen)塗(tu)耐磨陶瓷(ci)。檢測探靴的結構設計(ji)如圖7-24所示，單個瓦狀探靴的有效覆蓋角度為α，相鄰瓦狀探靴交錯β角度布置，從而(er)實現抽油杆的全覆蓋檢測。
三、現場應用
抽油杆漏(lou)磁自(zi)動化檢測係統實物如圖7-25所示，該係統可檢測的抽油杆規格範(fan)圍為φ19～Φ48mm。通過對磁化器、傳感器和檢測探靴的設計(ji)，可對抽油杆杆體表麵的裂紋、點狀腐蝕等缺陷進行全麵可靠的檢測。整個檢測過程可實現自(zi)動化，包括抽油杆上料、傳送、檢測、分級、標記和退磁等所有檢測過程，具有良(liang)好的工程應用價值(zhi)，為抽油杆的修複提供(gong)了基礎。
