在石油工业中，目前有(yǒu)多(duō)种采油方式，其中机械采油最為(wèi)普遍和重要，尤其是有(yǒu)杆泵采油，典型的有(yǒu)杆泵抽油系统的组成如图7-13所示。早在石油工业问世时，我國(guó)所开发的大多(duō)数油井开采阶段都已进入了中、高含水期，许多(duō)油井的采油方式由原来的自喷式采油转為(wèi)机械采油方式，有(yǒu)些油井甚至最初的采油方式就是机械采油。据相关资料数据统计，目前全國(guó)机械采油井已占油井总数的90％以上，机械采油井中90％以上皆為(wèi)有(yǒu)杆泵采油方式，可(kě)见有(yǒu)杆泵采油方式已在我國(guó)的石油开采中占据了举足轻重的地位。
抽油杆是抽油机与深井泵之间传递动力的重要部件，長(cháng)期在腐蚀介质中承受着交变载荷，极易形成如裂纹、腐蚀坑（麻点）及偏磨等缺陷，从而会降低自身强度，严重时导致断杆事故。為(wèi)提高抽油杆循环利用(yòng)率，一种旧抽油杆的再制造新(xīn)工艺-冷拔复新(xīn)制造工艺被广泛使用(yòng)。在此过程中，首先需要对抽油杆进行无损检测，然后根据抽油杆质量状况采取合适的修复工艺。
常规抽油杆整體(tǐ)结构如图7-14所示，抽油杆杆體(tǐ)一般為(wèi)实心圆形断面的钢杆，当杆径较大时，也有(yǒu)空心结构，两端為(wèi)镦粗的杆头，由外螺纹接头、应力卸荷槽、推承面台肩、方径扳手、镦粗凸缘和圆弧过渡區(qū)构成。外螺纹接头与接箍相连，方径扳手装卸抽油杆接头时用(yòng)于卡住抽油杆钳。
常用(yòng)抽油杆规格按杆體(tǐ)的外径一共分(fēn)為(wèi)6种，分(fēn)别是φ13mm、φ16mm、φ19mm、Φ22mm、φ25mm和ф28mm（1／2in、5／8in、3／4in、7／8in、1in和11／8in），長(cháng)度一般為(wèi)7.62m或8m。根据API Spec 11B《Specification for Sucker Rods》标准，常规钢制抽油杆長(cháng)度一般為(wèi)7.62m、8m和9m。常用(yòng)抽油杆主要规格参数见表7-2。
抽油杆作為(wèi)连接井上抽油机和井下抽油泵柱塞之间的连杆，其产生的最典型缺陷形式就是磨损。抽油杆与抽油管之间的磨损形式主要包括机械磨损、磨料磨损和電(diàn)化學(xué)腐蚀。
机械磨损是单纯的抽油杆杆體(tǐ)与油管體(tǐ)发生偏磨，影响因素众多(duō)，常见诱因包括井眼轨迹形状、杆柱结构及工作参数的配合。这种常见的杆體(tǐ)缺陷主要表现在两个方面：在杆體(tǐ)挠度相对较小(xiǎo)的位置，抽油杆的接箍与抽油管内壁极易产生碰撞摩擦，由于油管的摩擦面相对较大，因此磨损程度较轻，但是杆體(tǐ)接箍和杆头部分(fēn)磨损严重；在抽油杆杆體(tǐ)挠度相对较大的地方，抽油杆的接箍与抽油管内壁产生摩擦碰撞的同时，杆本體(tǐ)与油管内壁也会产生摩擦，磨损比较严重，导致杆體(tǐ)出现严重偏磨。
腐蚀缺陷是一种广泛存在的電(diàn)化學(xué)现象，受介质环境的影响巨大。杆體(tǐ)的偏磨与腐蚀缺陷并不是简单的累加，而是两者结合，相互作用(yòng)，促使更大的破坏产生。当杆體(tǐ)表面被活化，成為(wèi)電(diàn)化學(xué)腐蚀的阳极，则形成大阴极小(xiǎo)阳极的電(diàn)化學(xué)腐蚀，而产出液是强電(diàn)解质，具有(yǒu)强腐蚀性，对電(diàn)化學(xué)腐蚀起到一个催化作用(yòng)。其中，阳极则首当其冲，即发生杆體(tǐ)偏磨的位置会优先发生電(diàn)化學(xué)腐蚀，导致产生杆體(tǐ)偏磨的表面更加粗糙，加剧磨损。抽油杆杆體(tǐ)的常见缺陷如图7-15所示。
一、检测原理(lǐ)
直流磁化利用(yòng)直流磁化線(xiàn)圈产生恒定的磁场对被检测构件进行磁化，其可(kě)分(fēn)為(wèi)恒定直流磁化和脉动電(diàn)流磁化。恒定直流磁化对電(diàn)源要求较高，整流后产生波动范围较小(xiǎo)的直流電(diàn)，以免产生磁场波动而降低检测信号的信噪比。磁化電(diàn)流的大小(xiǎo)因被测构件的截面积不同而发生变化，磁化强度的大小(xiǎo)通过控制输入電(diàn)流的大小(xiǎo)来实现调节。脉动電(diàn)流磁化在電(diàn)气实现上相对容易，是剩磁法检测中较常使用(yòng)的直流磁化方式。
交流磁化是向磁化器中施以交变電(diàn)流，进而产生交变的磁化场。但由于趋肤效应，磁化场仅存在于被检测构件表面，因此，交流磁化适合用(yòng)于铁磁性构件表面或近表层缺陷的检测。
永磁磁化以永久磁铁作為(wèi)磁源对铁磁性构件施加磁化。在永久磁铁磁化中通常采用(yòng)磁铁、衔铁以及铁磁性构件构成磁回路。它的磁化场与恒定直流磁化产生的磁场有(yǒu)相通性，但磁化强度的调整不如后者方便，其磁路一旦确定磁化强度大小(xiǎo)便不可(kě)调整。永磁磁化的吸力很(hěn)大，对抽油杆的前行和检测探头的合拢均会带来不便。
检测系统主要是针对水平放置在修复車(chē)间内的在用(yòng)抽油杆（即旧抽油杆）进行检测。考虑抽油杆杆径较细且两端存在较大的变径區(qū)域，永磁磁化的吸力大且尺寸规格确定后无法进行磁化强度的调节，对抽油杆的水平运动、磁化的均匀性和检测探头张紧均造成不利影响。直流線(xiàn)圈磁化器具有(yǒu)可(kě)调节磁化强度的灵活性，该方式能(néng)够在抽油杆杆體(tǐ)内部产生稳定、均匀的磁化场，获得分(fēn)辨率良好的缺陷漏磁场。此外，从漏磁信号处理(lǐ)角度来看，缺陷漏磁场承载着缺陷的相关信息，為(wèi)了更好地辨识出抽油杆的缺陷信号，励磁電(diàn)流与缺陷信号频率之间的差距越大越好。对于一般的检测速度来说，缺陷信号的频率范围是几十赫兹到上百赫兹，故励磁電(diàn)流频率应该采用(yòng)低频或者高频。
对于细長(cháng)铁磁性构件，磁化方式有(yǒu)单磁化線(xiàn)圈和双磁化線(xiàn)圈两种方式，如图7-16所示。单磁化線(xiàn)圈方式中，為(wèi)了满足检测一致性要求，通常将检测探头放置于磁化器内部。从而导致線(xiàn)圈内外径增大，磁通量在抽油杆杆體(tǐ)外的空气中损失大，磁化效率低且磁化效果差。采用(yòng)双励磁線(xiàn)圈进行轴向磁化时，不仅可(kě)以缩减線(xiàn)圈内外径，增大抽油杆的磁化强度，增加抽油杆的有(yǒu)效磁化區(qū)域，提高磁化效率，而且检测探头可(kě)以布置在两个检测線(xiàn)圈中间部位。根据霍姆赫兹線(xiàn)圈的磁场分(fēn)布，双線(xiàn)圈轴向磁化在抽油杆杆體(tǐ)内部更易形成密集而均匀的轴向磁化场，有(yǒu)助于提高检测信号的灵敏度和稳定性。
以直径φ25mm抽油杆中心線(xiàn)為(wèi)中心建立2D对称有(yǒu)限元模型，利用(yòng)ANSYS仿真软件计算获得不同磁化方式下的抽油杆中心線(xiàn)方向的磁感应强度，如图7-17所示。
从图7-17分(fēn)析可(kě)知，双線(xiàn)圈在抽油杆杆體(tǐ)内更易获得均匀且磁化强度相对较大的轴向磁化场，均匀轴向磁化场接近2.2T，且两磁化線(xiàn)圈的轴向间距达到了150mm。基于双線(xiàn)圈轴向直流磁化的抽油杆漏磁自动检测方案如图7-18所示，通过轴向布置两个直流励磁線(xiàn)圈将抽油杆杆體(tǐ)磁化到饱和或近饱和状态，当抽油杆杆體(tǐ)表面有(yǒu)缺陷存在时，抽油杆杆體(tǐ)缺陷处局部材料的磁导率会降低，磁阻增大，抽油杆杆體(tǐ)内部的磁力線(xiàn)会发生畸变，从而导致部分(fēn)磁力線(xiàn)泄漏到空气中，形成缺陷的漏磁场，然后被处于双励磁線(xiàn)圈中间的漏磁传感器拾取，继而将漏磁信号转换為(wèi)電(diàn)压信号，之后经过信号放大器进行信号放大和滤波处理(lǐ)，并进入A-D转换器，完成对漏磁信号的调理(lǐ)和采集，最终漏磁检测数字信号进入计算机上位机软件进行分(fēn)析处理(lǐ)和显示。
二、整體(tǐ)方案
抽油杆漏磁自动检测总體(tǐ)布局如图7-19所示。抽油杆漏磁自动检测系统主要包括：料架、气动翻料机构、传送机构、气动压紧扶正装置、检测探头气动跟踪机构。气动翻料机构完成待检测抽油杆从上料架到传送轮以及下料分(fēn)选區(qū)的传递工作；气动压紧扶正装置主要用(yòng)于压紧和扶正抽油杆杆體(tǐ)，使其平稳地通过检测设备；检测探头气动跟踪机构用(yòng)于实现探头紧贴杆體(tǐ)表面，并保证抽油杆接箍的顺利通过。
抽油杆漏磁自动检测流程分(fēn)為(wèi)以下几步：
1）气动上翻料机构将待检测抽油杆从上料架送至传送線(xiàn)，抽油杆在传送机构的驱动下匀速传送至检测主机。
2）对磁化器通以直流電(diàn)，使得磁化器产生稳定的轴向磁化场，将抽油杆杆體(tǐ)轴向磁化至饱和或近饱和状态。当抽油杆杆體(tǐ)存在缺陷时，缺陷处便会产生相应的漏磁场。
3）缺陷漏磁场被漏磁传感器拾取，并转换為(wèi)電(diàn)压信号，之后依次经过信号放大、滤波、A-D转换，然后完成采集，最后进入计算机的上位机软件进行显示和处理(lǐ)。
4）抽油杆检测完成之后，利用(yòng)退磁器实现退磁，之后进行下一根抽油杆的循环检测。
1. 压紧扶正装置
如图7-20所示，检测主机由前后两个压紧扶正装置、中间检测探头板以及磁化器集于一體(tǐ)，组成一个完整的检测设备单元。气动压紧扶正装置如图7-21所示，主要由两个单级卧式摆線(xiàn)针形電(diàn)动机、上下压紧轮、底部支撑气囊和顶部超薄传动气缸组成。压紧扶正装置的主要功能(néng)是实现传动构件的导向和驱动，使其平稳通过检测探头板。
2．检测探头
在漏磁检测中，被检测的量包括磁感应强度和磁感应强度的梯度，两者存在根本區(qū)别。感应線(xiàn)圈和霍尔元件的应用(yòng)也存在根本的不同：感应線(xiàn)圈感应的是空间内磁感应强度的梯度，也即变化程度，与磁感应强度及其空间分(fēn)布有(yǒu)关；霍尔元件感应的是空间内某点的磁感应强度的绝对值。為(wèi)实现各类缺陷的全覆盖检测，根据检测杆體(tǐ)缺陷产生的信号特性选择霍尔元件和感应線(xiàn)圈两种传感器同时作為(wèi)磁敏感元件，如图7-22所示。
根据霍尔元件和感应線(xiàn)圈的输出特性，感应線(xiàn)圈双排交错布置，相邻感应線(xiàn)圈串联输出，感应線(xiàn)圈平放布置，可(kě)最大限度地拾取缺陷漏磁信号轴向分(fēn)量；霍尔元件单排立装布置，有(yǒu)效拾取缺陷漏磁信号轴向分(fēn)量，相邻霍尔元件检测信号并联输出，磁敏感元件全覆盖布置，如图7-23所示。将16个感应線(xiàn)圈及8个霍尔元件均布于整圆周范围内，相邻感应線(xiàn)圈的中心距约為(wèi)8mm，相邻感应線(xiàn)圈串联输出；相邻霍尔元件中心相距约為(wèi)11mm，相邻霍尔元件并联后单通道输出，检测元件布置时需注意方位保持一致。
同时，在感应線(xiàn)圈中放置聚磁铁心，感应線(xiàn)圈和聚磁铁心的長(cháng)、宽、高尺寸分(fēn)别為(wèi)：6mm×2mm×3mm和5mm×1.5mm×3mm。為(wèi)给传感器提供良好的工作环境，并延長(cháng)使用(yòng)寿命，将感应線(xiàn)圈和霍尔元件安装在瓦状探靴内部，并且在探靴工作表面喷涂耐磨陶瓷。检测探靴的结构设计如图7-24所示，单个瓦状探靴的有(yǒu)效覆盖角度為(wèi)α，相邻瓦状探靴交错β角度布置，从而实现抽油杆的全覆盖检测。
三、现场应用(yòng)
抽油杆漏磁自动化检测系统实物(wù)如图7-25所示，该系统可(kě)检测的抽油杆规格范围為(wèi)φ19～Φ48mm。通过对磁化器、传感器和检测探靴的设计，可(kě)对抽油杆杆體(tǐ)表面的裂纹、点状腐蚀等缺陷进行全面可(kě)靠的检测。整个检测过程可(kě)实现自动化，包括抽油杆上料、传送、检测、分(fēn)级、标记和退磁等所有(yǒu)检测过程，具有(yǒu)良好的工程应用(yòng)价值，為(wèi)抽油杆的修复提供了基础。
