大学生创新创业项目——研究报告

西安石油大学大学生创新创业训练计划
项目研究报告
项目名称：便携式数字化油管检测仪的研制
项目级别：国家级
项目负责人：康佳乐
所在院（部、系）：电子工程学院＿＿＿
指导教师：高国旺
摘要
油管缺陷的无损检测对保证采油作业的安全有着十分重要的意义，同时，油管也是昂贵物，通过对油管无损检测和量化分析可以为采油安全和油管的再使用提供依据。

而当前的油管缺陷检测现状是多将油管运送到采油厂，利用油管探伤仪对油管缺陷进行检测，耗费大量的时间和精力，影响正常的作业。

因此，在油井作业起油管过程中实时检测油管缺陷，在提高生产效率，保证采油安全方面有着重要意义。

本文在研究国内外油管检测现状及相关文献的基础上，经过认真的调研和理论分析，提出了利用漏磁检测技术实现油管井口缺陷检测。

针对井口的作业环境，分析了漏磁检测的油管缺陷检测系统可行性，研究了油管缺陷井口检测系统，整个系统包括漏磁检测的传感器、信号采集、信号处理软件等。

传感器采用了励磁激励和漏磁检测传感器一体化的结构，可实现油管内外缺陷信号的检测。

借助计算机软硬件技术，开发的油管在线检测与数据分析系统。

基于LabVIEW软件环境的信号在线检测和数据分析系统软件实现数据采集、存储与实时声光报警等功能。

在硬件上使用USB接口技术实现信号数据的高速采集与即插即用功能，提高探伤检测准确率和效率，同时完成缺陷的分析。

构建的室内油管检测系统，经过室内的模拟测试，系统能够准确的识别出油管的腐蚀和孔洞。

关键词：油管；漏磁场；无损检测；霍尔传感器；LabVIEW软件
ABSTRACT
Nondestructive testing of oil-well tubing is of vital significance to the safety of oil extraction. At the same time, oil-well tubing is very expensive, while a guarantee could be provided to the safety of
oil-extraction and the reusing of oil-well tubing by a method of nondestructive testing and quantificational analysis to the defect. And the current status of oil tubing defects diction is that the oil-well tubing would be transported to the specially detection center, there oil-well tubing detector will be used to test the tubing defects that spend a lot of time and energy, affect the normal operation in the oil field. Therefore, during the oil-well tubing is been pulled, the tubing defects is tested, the method can improve the efficiency of oil-well production and guarantee the production safety of great significance.
Based on the investigating actuality and the correlated literature of the test ing oil well tubing’s detection, the author put forward to the method of wellhead tubing defects detection based on magnetic flux leakage detecting technology. Depend on work environment of wellhead, the method of magnetic flux leakage testing is feasibility in using tubing defect detection on wellhead. The system for detecting tubing defects is studied, and the whole system is composed of magnetic flux leakage testing sensor, signal acquisition and signal processing software, etc. The sensor has integration structure that include the magnetic excitation and magnetic flux leakage detection sensor, which can realize the defect signal detection for the inside and outside of oil-well tubing. With the aid of computer software and hardware technology, the on-line detection and data analysis system of oil-well tubing is developed. The software is designed based on the LabVIEW software environment to realize data acquisition, storage and real-time sound and light alarm, and other functions. USB interface is used to realize high speed signal data acquisition and the function of plug and play, improve the accuracy and efficiency of detection system, and complete the analysis of the oil-well tubing defects. The indoor detection platform is built, and the simulation testing was completed, the result of testing shows that the system can identify accurately corrosion and holes of the tubing. Keywords: Oil-well tubing, Field of magnetic flux leakage,Nondestructive te sting, Hall sensor; LabVIEW software.
目录
第一章绪论
第二章电磁无损检测原理
第三章油管损伤检测传感器结构
第四章油管损伤检测仪的硬件电路设计
第五章软件设计
第六章调试与实验
第七章结论
参考文献、
致谢、
附录
第一章绪论
1.1项目背景与意义
油管是原油生产过程中下入井中并且可以起出的钢柱管，一组油管下井使用要起出和下入十几次和几十次。

它是出油气、注水、注气、压裂、酸化等采油采气作业、找漏（套管漏失）、找串（固井串槽）、封堵（封堵水层）等井下作业的通道。

抽油管在工作时会承受拉伸、内压、压井作业中泥浆柱的外挤力和注水、注气、压裂、酸化等苛刻作业环境腐蚀介质的作用。

因此在采油作业中，由于受温度和压力等影响，在活塞效应、膨胀效应、温度效应和螺旋弯曲效应的作用下，采油管柱往往会产生平面正弯曲或空间螺旋弯曲。

而在抽油泵作下冲程运动时，抽油杆往往也会发生空间螺旋弯曲。

如此抽油管和抽油杆的弯曲将导致油管壁和抽油杆自身磨损。

由于在作业的地面检修中经常发现接箍已严重磨损的抽油杆，故可以进一步推断，与磨损抽油杆对应井深的油管内壁也一定会存在着磨损问题。

同时油管还会受到井下介质的侵蚀，从而造成腐蚀伤痕。

抽油管这种磨损和腐蚀日久将造成抽油管的应力不均乃至断裂，导致生产井不出油，停泵检修等巨大经济损失。

即使有些新油管由于管材组织不良或由于生产加工造成的裂纹的存在，亦会导致完井后短期即发生油管断裂、生产油井停产的严重后果。

近几年来，由于井下工况恶化，油管选材混乱以及操作不规范等因素，抽油机井油管失效问题突出，给油田造成很大的经济损失。

而且，目前大多数油田的开发己进入中、高含水期，由于井斜、综合含水的上升和产出水中强腐蚀介质的强腐蚀性，抽油机井中油管与抽油杆的偏磨腐蚀现象也日趋严重。

据统计，中原石油勘探局第三采油厂共有生产井415口，其中抽油机井367口，占生产井的88.4%,1997年偏磨腐蚀井164口，偏磨腐蚀井占频繁作业井的74％，占抽油机生产井数的44.7%，抽油杆、油管的使用寿命也因偏磨腐蚀而缩短了40％－60％。

青海油田跃进二号油田的油管损坏现状统计为例，2000年以来该油区因油管漏失、断脱造成的躺井达到548井次，其中油管老化、丝扣滑丝油管失效占25.7％．因偏磨造成油管本体破裂或丝扣磨穿失效占42.1％，腐蚀原因导致油管本体穿孔或丝扣刺漏失效占15.4％，施工过程中操作不当粘扣或扒皮造成损坏占8.0％，其它原因(砂堵，水泥堵等)损坏占8.8％。

可见，油田油管的主要缺陷是腐蚀孔洞和杆状偏磨。

杆状偏磨是抽油杆长时间接触管壁磨擦产生的磨损槽, 这种缺陷较长且较宽, 是纵向的。

缺陷严重的油管重新下井, 必然发生井壁穿孔或断裂事故。

此类事故在我国发生得极为频繁, 每年经济损失上亿元【】。

为解决上述问题, 我国已进口数台油管漏磁探伤设备, 这些探伤设备主要用于采油厂油管的检测与修复线。

通常来讲, 一口井的绝大部分油管都是好的, 油井距离采油厂近的有十几公里, 远的上百公里, 这样油管在采油厂检测，会在运输、等待检测上耗费大量的时间和财力，且影响正常的油井作业。

为此, 我们提出研制油管井口探伤设
备, 其显著特点是在油管起下管作业时实现探伤。

本项目在总结了现有的研究成果基础上，提出利用漏磁检测技术、计算机技术等研制井口油管无损检测系统，以有效检测出产品中出现的裂缝、凹坑、孔洞等缺陷，对提高效率、简化操作、降低劳动强度、减少工业应用事故等方面都具有十分重要的现实意义。

1.2无损检测技术
作为一种重要的故障诊断和设备检测手段，无损检测技术在航空、航天、交通、能源、动力、化工、机械等各个工业部门一直发挥着重要的作用。

它们采用无损检测技术来提高产品质量和保证安全生产，并取得了显著的经济效益和社会效益。

在石油工业中，越来越多的使用了无损检测技术以保证石油生产和运输的安全有效进行，并且随着电子、机械、计算机及无损检测技术的发展，石油生产设备的日常运行及维护中也越来越倚赖于无损检测技术。

所谓无损检测（Nondestructive Testing简称NDT），是指在不损伤材料和成品的条件下，根据材料内部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反映的变化，研究其内部和表面有无缺陷的一种技术手段。

它又可以称为无损检查（Nondestructive Inspection简称NDI）及无损评估（Nondestructive Evaluation）。

无损检测的目的一般包括：定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许负荷以及寿命或剩余寿命；检测在制造过程中产生的结构不完整性及缺陷等情况，以便改善制造工艺。

它不仅涉及成品部件的试验评价，也与设计、制造工艺直接相关。

在钢管检测领域，目前常用的无损检测方法有：磁粉检测（MT），超声波检测（UT），渗透检测（PT），射线检测（RT），涡流检测（ET）等5种常规检测方法，此外还有一些新兴技术如激光照相检测，声振检测，微波检测，红外检测和声发射检测等。

但是各种检测方法都各有其特点及其局限性。

1.3 国内外研究现状
1.3.1常用无损检测方法
目前应用于油管无损检测的方法很多，有代表性的主要有：γ射线检测法、x射线检测法、磁粉探伤法、渗透检测法、微波检测法、超声检测法、涡流检测法、漏磁检测法。

超声检测法[9'10]是用一个超声探头对检测工件发射超声波，当超声波到达工件界面时一部分超声波就会被反射回来，反射回来的超声波被接受装置接受。

如果工件中有缺陷，缺陷的界面同样也会反射超声波，这样通过接受的超声波就可以判断出是否有缺陷，以及缺陷的大小。

所以超声检测法也可以检测出各种缺陷，而且还可以测出工件的厚度。

但是超声波检测不直观，人为因素大。

涡流检测法[11]是用一个高频振荡器供给激励线圈励磁电流，并在检测工件周围形成励磁场，该磁场在被检测工件中感应出涡状电流，涡电流又产生自己的磁场，磁流磁场中包含了被检测工件物理状况的各种信息，通过检测线圈把涡流信号检出进行判断。

涡流检测对于许多因素都很敏感。

信号的分析处理比较复杂，而且检测灵敏度随着缺陷的埋藏深度的增加而降低。

涡流检测法主要用于检测管道表层缺陷，如要检测
管道内部缺陷，需要从管道内部传过，结构较为复杂。

渗透检测[12]是由于润湿作用和毛细现象渗透液进入位于表面的缺陷，随后被吸附和显像，然后借助一定的物理观测设备观察缺陷所产生的图像，从而进行缺陷的识别。

渗透检测原理简单，操作容易，方法灵活，适用性强，可以检测各种材料。

且不受工件几何形状、尺寸大小的影像，是较最早使用的无损检测方法之一。

但是运用渗透检测法只能检测到材料和构件中开口在表面的缺陷且需要清洗和去污，对隐藏在内部的缺陷此种方法无能为力，另外此种方法也不适用于检测多孔性材料或多孔性表面缺陷，因为缺陷显示的图像难以判断。

X射线检测法[13]是用X射线对检测工件进行透射，然后用胶片采集射线使用图像处理技术对被检测工件的缺陷进行判别。

射线检测法对管道内部缺陷有检出能力，但操作复杂而且缺陷类型判定繁琐，最主要的是射线的散射不宜控制，易发生泄漏而且费用较高。

磁粉检测[14]是对被检测工件进行磁化，使缺陷处产生漏磁场，然后把磁粉喷涂到被检测件表面，缺陷即可通过磁粉的分布显示出来。

操作简便、直观、灵敏度高；检测成本低。

磁粉检测法只能检测出铁磁材料缺陷的位置和表面长度，但不能确定深度，而且很大程度上依赖于检测人员的经验，无法实现定量分析。

漏磁检测方法是利用磁敏元件拾取裂纹缺陷扩散漏磁信号的方法来提取裂纹缺陷信息的。

当被检测油管表面或者内部有裂纹缺陷时，缺陷附近存在扩散漏磁，漏磁的磁参量与缺陷的状态具有一定的对应关系，因此可利用磁敏元件检测扩散漏磁，从而将磁参量的变化转化为电信号，再由计算机进行处理判断，从而确定缺陷状态。

这种检测方法具有结构简单，且对被检测油管表面缺陷具有较高的灵敏度和分辨率。

相对于其他几种检测方法，漏磁检测特别适合油管缺陷检漏磁检测特别适合油管缺陷检测。

所以漏磁检测已成为目前油田油管现场或室内检测的最主要和有效的方法。

1.3.2 油管检测研究现状
油管在油井作业中的作用决定了其重要性和维护的特殊性。

它是连接地面抽油机和井底抽油泵的连接杆，起桥梁作用。

其使用的安全性不言而喻。

如何利用油井作业后取出的油管是一个重要的问题，既要保证其使用安全又要充分利用油管的价值。

所以，研制出技术先进、可靠的油管无盲区检测设备，具有良好的经济效益和社会效益。

在检测过程中根据相关的油管使用标准，利用检测结果将旧油管进行等级划分，合格的旧油管继续下井使用，不合格的油管予以报废。

还可以根据检测数据将合格的油管进行等级划分。

这项能充分发挥油管的作用，大大降低油管断脱率，提高油管的科学管理水平，显著节约成本。

在80年代以前，我国油田对油管维护基本采用肉眼观察法。

这是一种极其原始的方法，存在两种极端的做法：一是对油管作简单的肉眼观察法，报废极少数明显缺陷的油管，其余再下井使用。

受人为因素干扰，这种做法必然导致许多存在严重缺陷的油管被漏掉。

因此，油井作业经常会引起油管断脱事故，增加了油井作业费用，影响原油生产。

二是为了保险，将使用一段时间的旧油管全部报废。

这样一来，由于没有充分发挥油管的作用，旧的油管堆积成山，增加了购买新油管的费用，因而增加了采
油成本。

早在1987 年，原石油部李天相副部长在对“旧油管检测与修复技术研究”工作的批示中就指出：“修旧利废是石油工业艰苦创业的优良传统。

”“油管也一样，抽油井占采油井的90%，抽油井中有杆抽油又占90%，两个90%，有杆抽油就占油井数的80%以上，在井下的油管为数很可观。

”“旧油管利用这样的事，能降低采油成本，肯定要受到基层的欢迎。

”“旧油管检测，选择合格者重新利用，很可能发展成为采油中一项服务工作。

”也就是从1986 年开始，我国国内便开始了“旧油管检测与修复技术研究”。

首先由辽河石油勘探局钻采工艺研究院、石油勘探开发科学研究院机械所、中国科学院金属研究所、东北输油管理局铁岭机械厂和大庆石油学院合作开发了这项研究，取得了丰硕正果并于1998年通过原室油部科技司鉴定[11]。

1998 年之后旧油管检测工作引起了国内的重视，在原有科研成果的基础上，先后开发成功油管校直机、油管表面淬火机床、油管强力喷丸机、油管荧光磁粉探伤仪、油管涡流探伤仪等设备与仪器，并制定了SY/T5551.92《旧油管检测与修复技术条件》行业标准。

东北输油管理局铁岭机械厂、辽河油田曙光采油厂井下作业公司、华北石油勘探二公司综合修造厂、大庆油田采油二场和采油三厂、滨州特种油管厂、中原油田采油一厂、采油二厂和采油三厂、新疆石油管理局采油二厂、内蒙古第一机械制造厂和沈阳油田实业集团热力保温公司等12 个单位先后建立了旧油管检测修复作业线。

这些单位建立的旧油管检测与修复生产线均集中在了检测与修复的一体化上，并且为修复做了大量的工作。

旧油管检测与修复技术是对使用过的油管（旧油管）进行清洗、肉眼检查、热校直、喷丸清理、杆头荧光磁粉探伤、杆体无损探伤、强度分析、螺纹修复与检查、表面淬火、喷丸强化、涂漆和包装，根据旧油管检测修复工艺及技术条件进行分等级判断，达到修复与检测的目的，这项工艺技术经过十多年来的应用，工艺不断地完善，同时检测专用设备的研究与开发也在不断的进行着。

另外，九十年代中期，中国有色金属工业总公司无损检测中心和上海威远检测设备有限公司也分别推出了用于室内检测线的油管多通道漏磁检测装置和NT90B 油管损伤漏磁检测装置，该两种装置均是采用轴向磁化方式检测油管表面的纵向裂纹、腐蚀坑和杆状磨损缺陷。

目前，开展油管损伤磁性检测方法与装置研究的单位还有华中科技大学和中国科学院金属所等单位。

九十年代初，美国的Bhts 公司设计了一种新型电磁检测仪对油管进行在线检测，该检测仪的探头由四个传感器组成，其中漏磁场传感器（螺管线圈）和涡流传感器相互配合用于检测油管的腐蚀坑、孔洞及裂纹，旋转磁场传感器用于检测杆状磨损缺陷，另外，它还采用穿过式线圈测量油管的主磁通变化以测量整个油管截面积的变化情况。

在油井作业中，可把探头安装在井口（Wellhead）。

在脉冲漏磁检测技术方面，Ali Sophian、Gui Yun Tian 和Sofiane Zairi 等对
进行了有益的探索和研究，能较准确地定量分析出铁磁性材料的外表面缺陷，但对内表面缺陷的定量分析精度不是很高[12]。

John W.Wilson 和Gui Yun Tian 结合脉冲漏磁与脉冲磁阻技术较好地分辨出了材料内外表面缺陷的大小，特别是对内表面缺陷，其检测精度比直流漏磁检测有了大幅地提高。

1.3.3 铁磁性检测信号处理技术
就磁电信号的解释形式而言，磁性检测信号处理技术的演变可分为定性检测、定量检测和磁成象。

(1)定性检测对检测特征的有无、超限等进行判别，并给予报警或指示，例如，管材上有无腐蚀坑、腐蚀坑是否超限，它是二值处理，不对检测特征作进
一步分析处理。

因此，处理的方法和手段比较简单，如放大、滤波、峰值保持、阈值处理、示波、记录、报警或标记等。

[微软用户3]
(2)定量检测对检测特征给予度量，不但给出有无，而且要求在一定的精度
下给出量值，是无损检测技术的发展方向。

例如，对腐蚀坑的检测，不但要指
出它的位置，而且对它的尺寸也应给出量值的大小。

因此，必须结合计算机、
人工智能、现代信号处理等技术，开拓无损检测新方法。

(3)磁成象可分为两类，第一类为磁场成像，主要是将磁场（信号）可视化，形成磁图（磁场图）。

因而，它只对测量的精度、分辨率、扫描方式等提出较高的要求。

H. Saito 等人于1990 年将CT 技术应用于磁场的测量，采用卷积反投
影算法重建三维磁场图像；吉林工业大学也于1996 年开展了三维磁场成像的研
究[62]。

另一类为磁性成象，它通过磁图进行反演，用以得到铁磁性构件的几何
尺寸、缺陷大小、位置和形状等，也就是磁性CT 技术。

与射线、红外、超声
波CT 技术不同，磁性CT，从数学上讲是一类非线性反演问题，源于磁力线走
向的可变性。

华中理工大学于九十年代中期开展了漏磁CT 及漏磁场可视化技
术的研究[14]。

1.3.4电磁无损检测研究方法的发展与现状
对电磁无损检测原理的深入剖析是研究评估方法的基础。

研究主要使用三种方法：解析法、实验法和数值计算方法。

解析法求解电磁场的边值问题包括建立和求解微分或积分方程。

解析法将
结果以函数的形式表示，但缺乏普遍性，只能求解最简单的一类问题[15]。

对于
复杂的电磁检测问题，无法直接求物理方程的解，因此常用近似解析法。

近似
解析法以简化磁阻模型法为代表[16]。

由于铁磁材料的导磁率比非铁磁材料的磁
导率要大得多，由磁导率大的导磁体构成磁通的主要路径。

磁路计算一般只计
算主磁通，忽略漏磁通，或在主磁通上加一个修正系数。

磁路中参数的计算和
电路的计算相似。

磁路的基尔霍夫第一、第二定律都是在忽略漏磁的条件下建
立的。

由于忽略了漏磁通，磁阻法只能针对类缺陷的检测原理进行大致的分析
和计算，在相当长的一段时间内，磁路计算是唯一比较实用的磁系统计算方法。

磁路计算法采用一定假设条件下经过简化的近似计算公式，属于一种简化的估
算法。

由于这种方法易于理解和掌握，至今仍然是磁场计算与分析的重要手段
之一[17]。

对LF 类缺陷检测的研究目前多用磁荷法，磁荷法的本质是以磁荷取代缺
陷处的铁磁材料建立磁偶极子模型，求解磁场分布，将非线性问题近似为线性
化问题。

但是磁偶极子模型是对电磁场问题的线性近似，因此只能定性的对检
测问题进行解释。

磁荷法在对钢管、板裂纹的漏磁检测中研究较多[18]。

实验法一直是无损检测的主要研究方法。

通过大量有计划的实验，测量不同缺陷参数下的磁场大小，获取缺陷参数和磁场间的统计关系。

实验法相关的文献较多，如E. Kalwa 等在无损检测中的霍尔效应传感器和感应线圈的研究中[19]。

周强等在漏磁通应力效应的研究[20]。

实体实验方法的优点是可以获得最直接的现实结果，缺点是缺陷制作困难，因此实验的通用性不高，其次，实验结论受实验设备，实验人员的影响，存在一定的实验误差，而且实验结果缺乏重复性；此外，实体实验需要花费大量的人力、物力，实验的成本较大。

数值计算方法能够比较轻松解决实验方法的局限性。

它还可以方便地模拟各种实验条件，修改实验参数，制作各种复杂形状缺陷（如模拟几乎任意小的缺陷）。

Lord W.和Hwang J. H.指出，对于非线性和复杂形状缺陷漏磁场问题的求解，数值计算是唯一可行的方法[21]。

近20 年来，计算机的计算速度和存储容量的飞速增加，推动了数值分析的快速发展。

数值分析在检测技术中的应用加深了对各种检测机理的认识，加快了检测技术的发展。

数值分析方法分为积分方程法和微分方程法两大类[22]。

积分方程法主要包括体积分方程法和边界元法（Boundary Elements）[23]；微分方程法主要包括有限差分法（Finite Differences）和有限元法（Finite Element Methods）[24]，其中有限元法是最为重要的非线性领域数值算法之一。

有限元分析非常复杂，首先，控制方程的表述呈多样性；其次，数据处理工作量大，一个实际工程问题的三维分析需要上万个甚至更多的节点和单元，计算量庞大。

90 年代末期以来，计算机软硬件的迅猛发展，以及三维电磁场有限元计算的一些技术问题(如几何建模方式、自适应网格划分、三维计算等)的逐步解决，使三维有限元模型在工程上的应用成为可能。

近些年，已经有有限元方法应用于漏磁研究中的案例，如。

有限元方法已经成为以螺旋结构为特征的钢丝绳的有效研究手段。

有限元法用于漏磁的研究比较多，文献[24]中指出已经有学者尝试用有限元方法研究永磁法霍尔传感器的检测特性。

用有限元方法研究电磁检测的优点有，首先，容易构造理想化的环境，有助于电磁检测基础理论的研究；其次，缺陷的构造简单，再者，能够表现内部的磁场特征；最后，计算机化节省了大量的人力、物力。

有限元方法的局限性是：受到建模精度、算法精度等因素的影响，计算结果与研究人员的研究水平有关。

但是，随着计算机技术和有限元算法的不断进步，这些不足将逐渐被智能化的计算软件克服，有限元方法将成电磁无损检测研究的重要手段。

1.4 研究的主要内容和采用方法
项目组在查阅国内外管道漏磁检测技术及漏磁数据处理技术，吸收先进的无损检测缺陷评估科研成果的基础上，对油管漏磁缺陷检测技术进行研究。

为了实现便携式的井口油管缺陷的检测，开展了针对本项目的传感器结构设计、信号采集与处理系统、检测数据分析软件等内容，同时还分析了检测装置多种因素对漏磁的影响，为进一步优化检测装置提供指导。

基于国内外同类技术的研究，根据课题的研究目标，确定总体方案为：利用基于。