基于磁敏探頭的油管材質識別

馬 娟,樊建春,張來斌,欒 明

(中國石油大學(北京)機電工程學院油氣安全工程技術研究中心,北京 102249)

在檢泵周期內,對再用油管清洗、維修時,由于區分其材質的標記磨損或丟失,容易造成不同材質油管的混雜,很難辨識材質。常用的憑借人工經驗和殘留標記辨別油管材質的方法辨別率低,且耗費人力。當人工經驗無法辨別時,只能將高級別性能優良的N80等油管降級為J55使用;當低級別的油管被誤辨別為高級別的油管時,將為今后埋下巨大的安全隱患。國內的油管用量極大,長期的循環降級處理,將造成極大的資源浪費和經濟損失[1]。縱觀國內外所采用的材質識別方法,有硬度法[2]、金相法、化學分析法、電火花法和鐵譜法等。這些方法都無法適應現場大批量、準確、快速的無損識別需求。渦流檢測是一種成熟的無損檢測方法[3],由于其對材質的敏感性,近年來越來越多地用于快速材質分選[4-6]。當激勵頻率越高,產生的渦流信號透入油管深度越小,信號受到油管表面因素影響越大,故要求在較低頻率下進行材質識別。但是目前基于渦流的材質分選研究主要采用鐵磁線圈傳感器,其信噪比隨工作頻率的降低而減小,或隨著線圈截面尺寸的減小迅速降低。因此,這類傳感器在低頻高分辨率應用場合的檢測效果變得很差。筆者采用的磁敏傳感器在低頻檢測時具有良好的響應能力,不受頻率制約,結構設計輕巧。以下采用磁敏探頭,對油田大量使用的J55和N 80型油管開展材質識別試驗,希望為目前的油管分類難題提供試驗基礎。

1 渦流材質識別原理

1.1 金相分析

J55材質油管中Mn含量較N80少;J55油管中含有 N80沒有的Ni和Cu元素;N 80油管中含有J55中沒有的V。金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一,通過試樣的截取、鑲嵌、研磨和浸蝕四個步驟,制備J55和N 80油管的金相試樣。金相試樣通過100倍顯微鏡放大,如圖1可以看出,J55和N80油管的微觀組織差別很大。微觀組織不同,對于渦流信號的影響也會存在差別。

1.2 渦流材質識別原理

將按一定頻率變化的激勵電流施加于鄰近金屬上,致使線圈產生作用于金屬表面的電磁場,從而在金屬表層內產生渦流。渦流又產生反向磁場,作用于靠近金屬表面的磁敏傳感器上,如圖2。

圖2 材質識別原理圖

渦流的大小與金屬的磁導率、電阻率、厚度、金屬板與線圈距離、激勵電流和角頻率等參數有關。油管的磁導率較大(一般在102～104數量級),故磁效應對渦流信號的影響比電導率效應要大得多。且不同材質油管的磁導率不同,當固定厚度、距離、激勵電流和角頻率等參數的情況下,磁敏元件測得的磁場變化主要取決于磁導率。由此可快速辨識油管材質。

2 試驗裝置設計

根據材質識別的需要,設計了圖3所示的油管材質識別裝置框架圖。系統分四部分組成：①激勵裝置,對油管提供正弦激勵。②數據采集模塊,通過磁敏傳感器和采集卡,采集并傳輸油管表面的渦流信號,并轉化為電壓值。③PLC控制模塊,通過步進電機和升降導軌,準確控制傳感器的測量位置。④計算機數據處理模塊,通過計算機軟件接收和處理數據,進行材質識別。

圖3 試驗裝置框架圖

3 室內試驗研究

3.1 室內試驗方案設計

激勵頻率的選擇是渦流檢測的關鍵。為了找到區分J55和N80油管的探頭最佳放置位置和最佳激勵頻率,分別設計了檢測位置選擇試驗和激勵頻率選擇試驗。室內試驗的總體框架見圖4。

圖4 試驗總體方案

3.2 探頭位置選擇試驗

因為油管端頭的剩余磁場明顯高于管體中央,且中央部位基本為零,所以選擇管體中央放置探頭,以減小剩余磁場對磁敏探頭的影響。為了找到放置探頭的最佳角度,保證數據的穩定性,進行了兩組對比試驗：①將探頭旋轉了180°進行比較(圖5中T0是探頭垂直油管放置,其余則是依次旋轉45°所得曲線)。②相同油管,連續時間重復測量,如圖6。

3.2.1 試樣設計

試樣規格為長0.5 m,直徑φ73 mm J55油管。要求油管表面無明顯可剝落銹蝕層。

3.2.2 試驗結果及分析

(1)旋轉探頭,可以得到如圖5所示的結果,旋轉曲線出現了交叉,說明在此頻段的激勵頻率和響應電壓的線性關系不穩定。

(2)垂直放置探頭,數據具有較好的穩定性,如圖6。由于受到噪聲、溫度、冶金因素和周圍不穩定磁場的影響,數值在一定的范圍內具有一定波動。

3.3 激勵頻率選擇試驗

激勵頻率和渦流透入金屬的深度之間的關系如式(1)[7]：

式中 δ——透入深度,mm;

σ——管材材料的電導率,m/Ω?mm3;

μr——管材材料的相對磁導率,H/m;

f——激勵頻率,Hz。

激勵頻率f越大時,透入深度δ越小,油管表面情況對結果影響越大;f較小時,δ較大,在穿透深度小于油管厚度時,能更多地反映油管內部材質的信息。渦流檢測要求不超過36.8%的透入深度,結合油管壁厚得出,激勵頻率的透入深度大約不能超過2～2.5 mm,且弱磁場下,一般鋼件在50,100,500和1 000 H z頻率時,其有效透入深度分別為3,2,0.17和0.15 mm左右。所以激勵頻率選擇試驗的范圍選擇在100～1 700 H z。

3.3.1 試樣設計

試樣規格為長0.5 m,直徑為 φ73 mm的J55和N80油管。要求油管表面無明顯可剝落銹蝕層。

3.3.2 試驗結果

在5 V激勵電壓,100～1 700 H z激勵頻率下,試驗得出激勵頻率和響應電壓的關系。圖7中J代表J55油管,N代表N80油管。

(1)在1 400～1 700 H z時,如圖7(a),響應電壓幾乎不隨激勵頻率的變化而變化。即探頭處的磁場強度不變,說明渦流信號透入油管傳播很少,基本在油管近表面。在此頻段,透入深度很小,應減小激勵頻率。

(2)激勵頻率＜300 H z時,如圖7(b),響應電壓較大,且曲線梯度較大;激勵頻率＞300 H z,響應電壓值太小,易受噪聲影響。為了減小噪聲影響,增大透入深度δ,激勵頻率應＜300 H z。

(3)激勵頻率在100～260 H z范圍內時,激勵頻率和響應電壓顯示出較好的線性關系,且J55和N80的響應電壓值區分明顯,如圖7(c)所示。

3.3.3 試驗分析

由于J55和N 80的化學成分和生產工藝的差異,導致了磁導率的差別,對渦流信號的影響不同,所以磁敏探頭采集的響應電壓信號不同。檢測結果顯示：磁敏探頭采集的N80的響應電壓曲線位于J55曲線之上。

從以上試驗得出,在100～260 H z的激勵頻率范圍內,選取合適的激勵頻率即可區分J55和N80兩種油管。選取150 H z激勵頻率時,5 V激勵電壓時響應電壓值在磁敏探頭的最佳測量范圍內,且J55和N80兩種油管的區分效果良好。

4 現場試驗

對已知材質的J55和N 80油管,在5 V的激勵電壓,150 H z的激勵頻率下,進行現場試驗,以確定73和89 mm兩種直徑油管響應電壓的分界值。

4.1 試驗對象

第一組試驗對象為直徑73 mm的J55和N80油管各90根。

第二組試驗對象為直徑89 mm的J55和N80油管各93根。

4.2 現場試驗結果及分析

(1)如圖8所示,J55和N80油管在保持其它條件相同時,所測得的電壓信號差別明顯,且除個別混疊值外,J55油管的電壓值小于N80油管的值。

(2)由圖8(a)可知,對直徑為73 mm的J55和N80的油管,易混疊區域為3.85～3.9 V,對此區域的值,結合模糊識別方法進行識別,J55和N80油管各有2根誤判,區分度達到97.8%。

(3)由圖8(b)可知,對直徑為89mm的J55和N80油管,易混疊區域為3.7～3.8 V,對此區域的值,結合模糊識別方法進行識別,J55油管有3根誤判,區分度達到98.3%。

5 結論

通過渦流方法識別J55和N80油管材質,試驗可得出如下結論：

(1)在合適激勵頻率下,J55和N 80兩種油管的渦流信號有明顯區別,驗證了渦流方法可用于油管的材質識別。

(2)在150H z激勵頻率下,渦流方法區分J55和N80兩種油管效果較好,兩種材質油管的識別準確率高于97%。

(3)響應電壓大小受到提離、磁敏探頭方向以及激勵頻率等因素的影響,要很好地區分不同材質,對于此三個因素的控制尤其重要。

(4)冶金因素的不穩定性,也會使J55和N80兩種油管在區分時產生混疊區域。即使是相同的材質,由于其冶金條件的差別,也會對材料的內部結構產生影響。要進一步提高識別的準確率,仍需要進一步的試驗研究。

以上研究為多種相近的導磁材料識別提供了一定的試驗基礎。

[1]田建成.NT D300系列桿管級別分選系統應用[J].石油礦場機械,2005,34(1)：99-101.

[2]譚多鴻.油田桿管級別分選系統研究與應用[J].石油機械,2005,33(9)：62-641.

[3]Nestleroth J B,Davis R J.Application of eddy currents inducedBy permanent magnets for pipeline inspection[J].NDT&E International,2007(40)：77-84.

[4]郎家峰,楊明,吳曉琳,等.基于雙渦流傳感器的金屬材質動態檢測系統設計[J].計算機測量與控制,2005(13)：426-427.

[5]陳昌華.電腦式電磁分選檢測儀在鋼鐵材質中的應用[J].無損探傷,2002(26)：31-33.

[6]徐錦花,樊建春,張來斌.J55和N80油管材質識別試驗研究[J].石油機械,2009(37)：13-15.

[7]Robert C.Mc Master.美國無損檢測手冊[C].美國無損檢測手冊評審委員會,譯.上海：上海世界圖書出版社,1999：330-333.