基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動化檢測系統

范勁松，崔 躍，葉 苗，李 歡

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 401120）

S135鉆桿是石油、天然氣開發過程中的重要鉆井機具，可以承受巨大的壓力、扭矩和轉速，但磁性材料產品的各種缺陷是現代工業機器的嚴重隱患[1-2]。漏磁檢測最初由傳統檢測演變而來，其原理是在材料周圍增加外來磁場，使磁力線在被檢測材料中改變磁通路徑，檢測出具有缺陷的磁性材料。當經過缺陷處時會產生缺陷漏磁場，以判斷漏磁場的存在[3]。許志浩基于有限元法檢測方鋼表面具有裂紋的漏磁場[4]。戴光等通過研究缺陷金屬表面與近表面的漏磁場，仿真分析了缺陷參數對漏磁場的影響[5]。此外，國外學者采用非接觸式的無線紅外激光方法進行檢測，但使用此類方法檢測鉆桿漏磁時誤差較大，且檢測結果易受溫度影響[6-8]。

設計了基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動化檢測系統，采用互相關測距算法控制，并通過SOPC系統完成，具有精度高、能耗低的特點。該系統基于Ahera 公司的Nios II 概念，在FPGA 上搭建Nios II 雙核系統。系統的硬件部分由SOPC 模塊、AGC 模塊、超聲波發收模塊、功率放大模塊組成。軟件部分主要由數據采集模塊、數據計算模塊、顯示模塊組成。通過系統測試，可以精準檢測石油S135 鉆桿的漏磁現象。該系統在檢測中存在的測量誤差在可接受范圍內，在工程應用中具有良好的效果。

1 石油S135 鉆桿漏磁檢測系統方案設計

1.1 檢測方法的確定

石油S135 鉆桿漏磁檢測方法的形式較多，但每種方法均存在優缺點，需要綜合考慮多種因素，如鉆桿的材質、檢測效率、檢測精度等，因此，選擇合適的漏磁檢測方法極為重要[9]。目前，較為主流的檢測方法是采用探測鉆桿表明渦流或漏磁以及內部缺陷的超聲波組合方法。該方法可以大幅度提高檢測的效率，但精度無法保證[10]。文中基于SOPC 方法，采用超聲波檢測法探測石油S135 鉆桿漏磁。漏磁檢測原理圖，如圖1 所示。其優點如下：

1）可做到石油S135 鉆桿的內外表面無損探傷，且從設備的角度考慮易于安裝、成本較低；

2）彌補了常規檢測方法的缺陷，可較為方便地維修與更換探頭；

3）采用超聲波檢測方法，可快速實現縱向與橫向缺陷的匹配。

圖1 鉆桿漏磁檢測原理示意圖

美國石油學會（API）于2001 年10 月制定規范[11]，按照石油鉆桿的外徑不同可以將鉆桿分為8 類，其桿體外徑介于60～170 mm 之間。8 種石油鉆桿的主要規格參數如表1 所示。

表1 常用石油S135鉆桿主要參數

1.2 漏磁場特征分析

鉆桿能否繼續使用，取決于通孔的檢測效果，在檢測期間通孔處于傳感器的不同位置。若檢測到的信號幅值一致性較高，則可以判斷鉆桿的使用效果良好[12-13]。為了達到更優地檢測效果，對Φ為1.6 mm 通孔的漏磁場進行分析。鐵磁材料由飽和狀態過渡到欠飽和狀態是漏磁檢測的關鍵問題，由于石油S135 鉆桿在漏磁處的磁通量下降，此處的磁阻也因此增大。周圍的磁場線發生畸變，通過傳感器采集到漏磁信號，在上位機顯示漏磁缺陷信息。由于石油S135 鉆桿在磁場飽和狀態可避免磁化強度的變化，研究過程中需要建立鉆桿的磁偶極子模型。假設通孔的一面為N 極，另一面為S 極，通孔半徑為R，磁場密度為σn，磁載荷微量dq可表示為：

距離向量r、磁場向量dH與磁載荷微量dq之間的關系為：

僅考慮通孔的N 極（y＜0）和α，且傳感器的提離值用h表示，磁荷微量到鉆桿漏磁表面上方任意一點的距離，可表示為：

假設磁場密度值為1，若距離為rn時，可推導出漏磁場的y、z方向分量為：

因此，石油S135 鉆桿通孔的整個缺陷漏磁場的y方向分量為：

2 系統硬件設計

2.1 系統整體硬件設計

基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動化檢測系統的硬件設計總體框圖如圖2 所示。該系統由SOPC 模塊、AGC 模塊、超聲波發收模塊、功率放大模塊組成。由于超聲波在空氣中傳播時會受到氣溫的影響，因此在電路中增加溫度補償電路模塊。該模塊可以抑制溫度的變化感知幅度，從而提高漏磁的檢測精度。

圖2 系統硬件總體框圖

2.2 SOPC系統模塊

SOPC 模塊是石油S135 鉆桿漏磁自動化檢測系統的核心部件，硬件內部的機器語言由VerilogHDL編譯完成，并同時轉換為底層的機器語言，系統芯片選用Stratix Ⅱ型FPGA。SOPC 內部結構如圖3 所示。數字/模擬信號模塊、溫度補償模塊、頻率發生器模塊分別采集數字信號、時鐘信號、溫度信號，信號經過處理后傳輸至測距模塊，即完成信號處理后的輸出結果。

圖3 SOPC內部結構圖

2.3 溫度補償模塊

石油S135 鉆桿漏磁采用超聲波進行檢測，而超聲波的傳播速度受溫度影響較大，其關系可用式（7）表示：

式中，T表示石油S135 鉆桿漏磁缺陷處周圍的平均溫度。

溫度補償模塊可進行溫度的采集工作，溫度補償會引起超聲波波速發生變化，若μ為補償因子，δ為擾動因子，則其變化值可用式（8）表示：

2.4 超聲波發射、接收電路

超聲波模塊由發射、接收電路組成。其電路圖如圖4 和圖5 所示。電路中的超聲波傳感器換能器的中心頻率高于電力系統額定頻率，為69 kHz。SOPC 系統中的震蕩頻率由頻率發生器產生，最終轉換成電壓為200 V 的脈沖。該脈沖對換能器產生作用，可引起信號接收電路發生信號偏移[14-16]。超聲波接收電路由兩部分組成，分別為信號放大電路和信號濾波電路，兩者共同完成信號的接收與處理工作。由于接收電路的接收信號相對較弱，SOPC 系統無法精確采集。故將接收到的信號放大1 000 倍，形成正反饋作用，提高檢測系統的穩定性。

圖4 超聲波發射電路

圖5 超聲波接收電路

2.5 自動增益電路

采集到的超聲波信號幅值波動較大，需控制其增益，采用精度高、共模抑制比高、可編程性的AD620AN 放大器。

在檢測石油S135 鉆桿是否漏磁的過程中，返回的超聲波回波信號幅值變化較大，需要對其進行控制[17]。該控制電路采用可編程性的AD620AN 放大器抑制超聲波回路信號的幅值以提高信號的共模抑制比與精度。該電路的放大增益可表示為：

式中，rG為等效電阻，單位為kΩ。

3 軟件系統設計

3.1 數據采集模塊軟件設計

數據采集模塊的軟件部分實現石油S135 鉆桿漏磁的模擬信號經A/D 轉換器操作后，得到可識別的數字信號。通過定義的IP內核實現AD7710對模擬信號的操控，設計的核心是儲存實施過程中的測量信號。而在系統中片上存儲器一般被看作采集處理器，與顯示處理器共享數據存儲區域，成為兩者進行數據交互的中間通道。但當兩者同時處理共享區域內的數據時，系統會發生數據紊亂，從而導致崩潰的局面。此時，需要使用Mutex core 控制處理器對該系統進行訪問。數據計算、顯示模塊軟件流程圖如圖6所示。

圖6 數據計算、顯示模塊軟件流程圖

數據采集模塊程序由Altera公司設計的QuartusⅡ軟件編譯完成，底層采用匯編語言完成，核心包括溫度補償采集與互相關法測距，另外還包括鍵盤掃描子程序。數據采集模塊的軟件部分設計均在新版本Nios II嵌入式處理器系統軟件開發工具Nios II SBT上完成。

3.2 軟件設計

數據計算、顯示模塊是系統的另一重要組成部分。在該模塊前，首先需要建立石油S135 鉆桿的磁鏈曲線。通過擬合方式將測得的數據代入計算，最終將計算得到的結果展示在顯示系統上。在石油S135 鉆桿周圍用磁場監測裝置對磁場濃度進行測量，記錄場強并輸入系統。使用最小二乘法擬合方程，如式（10）所示。

式中，y為磁場強度，x為電壓值，a、b為擬合參數，可由下列方程求出：

上述最小二乘法的擬合工作均在集成開發環境中完成，采用Ahera 公司開發的Character LCD 作為Nios II 與液晶屏的Avalon 接口。

4 系統測試

對石油S135 鉆桿漏磁自動化檢測系統的可靠性進行相關測試，利用實驗室中的DE2.115 進行性能測試。在DE2.115 中，植入Cyclone IV 系列的SOPC 模塊。該模塊同時具備HD44780 和LCDl602的功能，提高了系統測試的準確性。將自動化檢測系統的軟件程序拷貝到開發板，利用某地石油S135鉆桿漏磁數據進行實驗，并采用多組實驗進行對照。

利用前期處理的漏磁信號片段作為信號輸入，在實驗室中模擬9 種漏磁現象，采集多組數據集，形成實驗樣本庫。通過神經網絡訓練得到權值與閾值，將帶識別的信息再次輸入網絡中，進行漏磁檢測識別。實驗中，模擬的輸入節點數的漏磁信號片段長度為250，隱含層節點數為5 個，輸出節點數為2個，共有9 種漏磁缺陷。其測試結果，如表2 所示。

表2 測試結果

經過計算分析可知，雖然該系統在檢測中仍存在一定程度的測量誤差。但此誤差在可接受范圍內，在工程應用中具有良好的效果，基本與設計的預期標準誤差相符。

5 結論

針對石油鉆桿漏磁檢測精度問題，設計了基于SOPC 的石油S135 鉆桿漏磁自動化檢測系統。結合該系統的實際要求，確定了鉆桿漏磁的檢測方案，并應用磁場的有限元分析研究缺陷檢測方案。該系統的數據處理系統與控制系統均通過SOPC 系統實現，充分利用了FPGA 的硬件資源。融合自動增益電路與溫度補償電路，可在線升級軟件安裝包，且結構簡單、精度較高、應用前景廣闊。