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    行業知識

    油管桿狀磨損缺陷的建模與定量檢測

    來源:??????2018/3/24 23:18:44??????點擊:
    摘要  針對油管存在損傷而缺乏有效檢測和評判手段的現實 , 研究了桿狀磨損缺陷的建模方
    法和桿狀磨損缺陷的定量檢測方法 。根據桿狀磨損缺陷的特點
    , 建立了桿狀磨損缺陷的槽深與被
    磨損的油管截面積之間關系的數學模型 。采用漏磁通法對桿狀磨損缺陷進行定量檢測
    , 給出了霍
    爾傳感器的輸出電壓與被測油管的剩余平均截面積之間關系的線性化數學模型 。大量的實驗室測
    試結果和工業現場試驗結果表明
    , 基于漏磁通法的檢測系統可實現桿狀磨損缺陷的定量檢測 ,
    測系統對桿狀磨損缺陷的定性檢出率為
    100 % , 桿狀磨損缺陷的槽深定量檢測精度為 015 mm。
      關鍵詞  油管  缺陷  漏磁檢測  無損檢測
    引    言
    油管的工作條件與使用環境比較復雜而惡劣 ,
    油管損傷的產生和發展是油管質量 、工作狀態 、井
    斜 、采油區的地質特點 、抽吸速度 、井液中水和腐
    蝕物質的含量等隨機因素綜合作用的一個隨機變
    量 。在油管使用和實際檢測過程中發現
    , 油管內外
    壁存在的主要損傷形式是腐蝕坑 、腐蝕孔和桿狀磨
    損等缺陷
    [1 ] 。針對油管內外壁存在損傷而又缺乏
    有效檢測和評判手段的現實
    , 瞄準國際先進水平 ,
    立足國內實際 , 采用漏磁通法設計研制了一種油管
    損傷在線檢測系統
    , 將其應用于油田生產現場的腐
    蝕坑 、腐蝕孔和桿狀磨損等缺陷的在線定量檢測
    ,
    填補了我國無實用的油管損傷在線定量檢測裝置的
    空白 。與國內外現有的油管損傷檢測裝置相比
    ,
    系統具有檢測靈敏度高
    , 準確度高 , 定量分析能力
    , 結構簡單 , 現場適應性強等特點[2~4 ] 。油管
    桿狀磨損缺陷的定量檢測對保證采油作業的安全有
    著十分重要的意義
    , 是對油管進行定量檢測所面臨
    的重點和難點之一 。筆者研究了桿狀磨損缺陷的數
    學模型和漏磁通定量檢測方法
    , 并在此基礎上進行
    了檢測實驗與分析 。
    桿狀磨損缺陷的數學模型
    桿狀磨損缺陷由抽油桿對油管內壁的摩擦引
    , 其軸向分布范圍較長 , 一般長 24 m。根據
    對具有桿狀磨損缺陷的舊油管樣品的切割和分析
    ,
    桿狀磨損缺陷的斷面可能有如下幾種形式 。
    (1) 單面磨損槽 , 在抽油桿柱的中性點以上 ,
    表現為單面偏磨 , 這種偏磨往往把油管磨穿 , 是磨
    損現象中最常見也是破壞性最大的一種 。在油管彎
    曲度較小的地方
    , 油管內壁與抽油桿接箍產生摩
    , 油管磨損區域較大 , 磨損較輕 。而在彎曲度較
    大的地方
    , 油管內壁與抽油桿桿體也可能產生摩
    , 油管磨損區域較小 , 磨損較嚴重 。抽油桿桿體
    摩擦引起的磨損槽斷面輪廓線尖銳
    , 而接箍引起的
    磨損槽斷面輪廓線平滑 。
    (2) 雙面磨損槽 , 在抽油桿柱的中性點以下 ,
    表現為雙面偏磨 。抽油桿柱做上下沖程運動時 ,
    造成抽油桿接箍對油管內壁不同側面的偏磨
    , 同時
    使油管相對應的兩側面磨成深槽
    , 甚至被磨穿 。
    根據井況的歷史數據和具有桿狀磨損缺陷的油
    ·8 ·
    石  油  機  械
    CHINA PETROL EUM MACHINERY 2002 年  第 30 卷  第 11 期
    X 金建華 , 講師 , 生于 1968 年 , 2001 年畢業于華中科技大學機械制造及其自動化專業 , 獲博士學位 , 現從事無損檢測新技術、檢測機
    器人、智能儀器及在線測控等方面的科研教學工作。地址 : (200030) 上海市華山路 1954 號。電話 : (021) 62932810 - 18 。
    (收稿日期 : 2002 - 02 - 22)
    © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    管在油井中所處的位置可判斷出桿狀磨損缺陷的當
    量類型 。桿狀磨損缺陷的斷面輪廓線可以近似處理
    成圓弧形
    , 其重要的幾何特征值有槽深 h 和槽底
    圓弧半徑ρ
    , 如圖 1 所示 , 圖中 abcba 所圍成的陰
    影部分為被磨損的油管截面積
    , 可表示為
    A loss = 2 ( A o′ab′ + A oao′ - A oab) (1)
    式中  A loss ———被磨損的油管截面積 ;
    A o′ab′ ———扇形 oab′的面積 ;
    A oao′ ———三角形 oao′的面積 ;
    A oab ———扇形 oab 的面積 。
    圖 1  磨損槽的斷面簡化模型
    設新油管的內徑為 r , 壁厚為 t , 抽油桿桿體
    半徑為ρ
    r , 抽油桿接箍半徑為 ρc , 則根據幾何知
    , 可求得
    A o′ab′ = α2ρ = ρarc sin x
    ρ
    (2)
    A oab = α1 r = rarc sin x
    r - ρ + h (3)
    A oao′ = 1
    2
    r ( r - ρ + h) sinα1 = 1 2 rx (4)
    式 中 , x =
    ( r - ρ+ h) 2 - r
    2
    + ( r - ρ+ h) 2 - ρ2
    2 r
    2
    將式 (2) (4) 代入式 (1) , 可得
    Aloss = ρarc sin x
    ρ +
    12
    rx - rarc sin x
    r - ρ + h (5)
      對式 (5) 的討論可分為三種情況 :
    (1)
    桿狀磨損為抽油桿桿體引起的單面磨損槽
    , ρ≈ρr ,
    Aloss 2 ρrarc sin x
    ρ
    r
    +
    12
    rx - rarc sin
    x
    r - ρr + h

    (6)
    (2) 桿狀磨損為抽油桿接箍引起的單面磨損
    槽時
    , ρ≈ρc ,
    Aloss 2 ρcarc sin x
    ρc
    +
    12
    rx - rarc sin
    x
    r - ρc + h

    (7)
    (3) 桿狀磨損為抽油桿接箍引起的雙面磨損
    槽時
    , ρ≈ρc ,
    Aloss 4 ρcarc sin x
    ρc
    +
    12
    rx - rarc sin
    x
    r - ρc + h

    (8)
      在已知 A loss的情況下 , (6) (8) 只含有
    一個未知數
    h , 但沒有解析解 , 可以用迭代法求得
    指定誤差范圍內的近似解
    , 得到桿狀磨損缺陷槽深
    的當量值
    h 或剩余壁厚的當量值 t w = t - h 。
    桿狀磨損缺陷的漏磁通定量檢測法
    油管大多采用導磁性能良好的高碳鋼或合金鋼
    制成
    , 很適合于利用漏磁通法進行檢測 。漏磁通法
    檢測桿狀磨損缺陷的基本原理是采用永久勵磁回路
    對油管軸向勵磁
    , 當油管通過這一磁化磁場時 ,
    管中存在的桿狀磨損缺陷將直接影響作為勵磁系統
    一部分的油管各磁路截面上磁通量的變化
    , 并引起
    探頭單元兩磁極之間空氣隙中漏磁通的改變
    , 采用
    布置在兩極間的霍爾傳感器檢測這一漏磁通變化量
    即可獲得有關桿狀磨損缺陷狀態的信息
    [2 ,3 ] 。
    理論分析和實驗研究表明
    , 對于桿狀磨損缺陷
    的檢測
    , 油管壁厚減薄對應的極間漏磁通的變化量
    實際是對應的磁路磁通變化的絕對量值
    , 桿狀磨損
    缺陷檢測信號幅值與被測油管的剩余平均截面積
    A t (mm2) 之間遵循線性關系 ,
    V o = K0 + K1 A t (9)
    式中 V o ———桿狀磨損缺陷檢測信號幅值 , V ;
    A t ———被測油管的剩余平均截面積 , mm
    2 ;
    K0 , K1 ———為與具體檢測對象的磁特性 、

    檢測探頭和信號預處理器有關的常量 , 可用制有標
    準缺陷的標準管通過標定后得到
    , 其典型值分別為
    51454 - 010027 。
    因此
    , 根據霍爾傳感器的輸出電壓 V o 可由式
    (9) 求出被測油管的剩余平均截面積 A t , 然后由
    A loss = A 0 - A t 求出被磨損的油管截面積 A loss , A 0
    為新油管的截面積 , 根據式 (6) (8) 即可在一
    定的精度下求出桿狀磨損槽的深度 。
    實驗與分析
    為測試漏磁通法對桿狀磨損缺陷的檢測能力 ,
    采用油管損傷在線檢測系統對制作了模擬桿狀磨損
    缺陷的新油管段進行了實驗室測試
    , 并在江漢油
    田 、中原油田和勝利油田的生產現場進行了大量的
    工業現場試驗 。整個檢測系統由檢測探頭 、井口裝
    置 、信號預處理器 、
    A/ D 轉換器 、筆記本計算機 、
    2002 年  第 30 卷  第 11 期 金建華等 : 油管桿狀磨損缺陷的建模與定量檢測 ·9 ·
    © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    缺陷定量分析軟件 、聲光報警器和電源模塊等組
    成 。 圖
    2 為辛 25 - 17 井的一根內壁帶桿狀磨損缺
    陷的舊油管由
    8 個探頭檢測的信號波形 , 圖中曲線
    a 為腐蝕孔信號 , b 為桿狀磨損缺陷信號 , c 為接
    箍干擾信號
    , 可見 , 油管有無損傷以及不同的損傷
    類型對應的霍爾傳感器輸出信號變化特征是不同
    的 。腐蝕坑 、孔信號表現為分布寬度不大的單正峰
    跳變信號
    , 桿狀磨損缺陷信號主要表現為信號幅值
    對其均值的偏離
    , 并且在損傷范圍內變化比較平
    , 軸向分布范圍較寬 , 而接箍干擾信號則表現為
    同時存在左接箍跳變信號和右接箍跳變信號
    [3 ] 。
    在實際檢測中
    , 根據桿狀磨損缺陷的信號特征 ,
    用適當的模擬或數字信號處理方法便可分離出桿狀
    磨損缺陷對應的特征信號
    , 進行幅值分析即可得到
    桿狀磨損缺陷的深度及位置 。缺陷定量分析軟件對
    2 所示的桿狀磨損缺陷信號的分析結果為油管距
    非接箍端
    1213 m 處有深 114118 mm 的桿狀磨
    損缺陷
    , 當時現場解剖結果為距非接箍端 019
    212 m 處有周向弧長約 26 mm , 112119 mm
    的桿狀磨損槽 , 與分析結果吻合良好 。大量實驗室
    測試結果和工業現場試驗結果表明
    , 檢測系統對桿
    狀磨損缺陷的定性檢出率為
    100 % , 桿狀磨損缺陷
    的槽深定量檢測精度為
    015 mm。
    圖 2  內壁帶桿狀磨損缺陷的舊油管的檢測信號
    由于在建立桿狀磨損缺陷的數學模型時 , 將缺
    陷的斷面輪廓線近似處理成了圓弧形
    , 因此上述數
    學模型的建立實際上是針對理想的圓弧形槽進行
    , 這種實際桿狀磨損缺陷與理想圓弧形槽之間的
    簡化與近似是影響桿狀磨損缺陷的槽深定量檢測精
    度的主要因素 。后續的工作將對各種實際桿狀磨損
    缺陷作進一步的分析
    , 以修正桿狀磨損缺陷的數學
    模型
    , 提高桿狀磨損缺陷的定量檢測精度 。
    結    論
    針對油管桿狀磨損缺陷的特點 , 建立了桿狀磨
    損缺陷的槽深與被磨損的油管截面積之間關系的數
    學模型 。采用漏磁通法對桿狀磨損缺陷進行定量檢
    , 給出了霍爾傳感器的輸出電壓與被測油管的剩
    余平均截面積之間關系的線性化數學模型。大量的
    實驗室測試結果和工業現場試驗結果表明
    , 桿狀磨
    損缺陷的漏磁通定量檢測方法解決了在井口或維修
    生產線上對油管的桿狀磨損缺陷進行定量檢測的問
    , 具有定性檢出率高 , 定量分析能力強等特點。
    本研究成果的推廣應用
    , 可避免將帶有嚴重桿狀磨
    損缺陷的舊油管投入使用
    , 對有效地防止油管泄漏
    或斷裂事故的發生
    , 減少不合理的更換而造成的巨
    大浪費
    , 保證采油作業的安全有著十分
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