在石油工業(yè)中，目前有多種采油方式，其中機械采油最為普遍和重要，尤其是有桿泵采油，典型的有桿泵抽油系統(tǒng)的組成如圖7-13所示。早在石油工業(yè)問世時，我國所開發(fā)的大多數(shù)油井開采階段都已進入了中、高含水期，許多油井的采油方式由原來的自噴式采油轉為機械采油方式，有些油井甚至最初的采油方式就是機械采油。據相關資料數(shù)據統(tǒng)計，目前全國機械采油井已占油井總數(shù)的90％以上，機械采油井中90％以上皆為有桿泵采油方式，可見有桿泵采油方式已在我國的石油開采中占據了舉足輕重的地位。
抽油桿是抽油機與深井泵之間傳遞動力的重要部件，長期在腐蝕介質中承受著交變載荷，極易形成如裂紋、腐蝕坑（麻點）及偏磨等缺陷，從而會降低自身強度，嚴重時導致斷桿事故。為提高抽油桿循環(huán)利用率，一種舊抽油桿的再制造新工藝-冷拔復新制造工藝被廣泛使用。在此過程中，首先需要對抽油桿進行無損檢測，然后根據抽油桿質量狀況采取合適的修復工藝。
常規(guī)抽油桿整體結構如圖7-14所示，抽油桿桿體一般為實心圓形斷面的鋼桿，當桿徑較大時，也有空心結構，兩端為鐓粗的桿頭，由外螺紋接頭、應力卸荷槽、推承面臺肩、方徑扳手、鐓粗凸緣和圓弧過渡區(qū)構成。外螺紋接頭與接箍相連，方徑扳手裝卸抽油桿接頭時用于卡住抽油桿鉗。
常用抽油桿規(guī)格按桿體的外徑一共分為6種，分別是φ13mm、φ16mm、φ19mm、Φ22mm、φ25mm和ф28mm（1／2in、5／8in、3／4in、7／8in、1in和11／8in），長度一般為7.62m或8m。根據API Spec 11B《Specification for Sucker Rods》標準，常規(guī)鋼制抽油桿長度一般為7.62m、8m和9m。常用抽油桿主要規(guī)格參數(shù)見表7-2。
抽油桿作為連接井上抽油機和井下抽油泵柱塞之間的連桿，其產生的最典型缺陷形式就是磨損。抽油桿與抽油管之間的磨損形式主要包括機械磨損、磨料磨損和電化學腐蝕。
機械磨損是單純的抽油桿桿體與油管體發(fā)生偏磨，影響因素眾多，常見誘因包括井眼軌跡形狀、桿柱結構及工作參數(shù)的配合。這種常見的桿體缺陷主要表現(xiàn)在兩個方面：在桿體撓度相對較小的位置，抽油桿的接箍與抽油管內壁極易產生碰撞摩擦，由于油管的摩擦面相對較大，因此磨損程度較輕，但是桿體接箍和桿頭部分磨損嚴重；在抽油桿桿體撓度相對較大的地方，抽油桿的接箍與抽油管內壁產生摩擦碰撞的同時，桿本體與油管內壁也會產生摩擦，磨損比較嚴重，導致桿體出現(xiàn)嚴重偏磨。
腐蝕缺陷是一種廣泛存在的電化學現(xiàn)象，受介質環(huán)境的影響巨大。桿體的偏磨與腐蝕缺陷并不是簡單的累加，而是兩者結合，相互作用，促使更大的破壞產生。當桿體表面被活化，成為電化學腐蝕的陽極，則形成大陰極小陽極的電化學腐蝕，而產出液是強電解質，具有強腐蝕性，對電化學腐蝕起到一個催化作用。其中，陽極則首當其沖，即發(fā)生桿體偏磨的位置會優(yōu)先發(fā)生電化學腐蝕，導致產生桿體偏磨的表面更加粗糙，加劇磨損。抽油桿桿體的常見缺陷如圖7-15所示。
一、檢測原理
直流磁化利用直流磁化線圈產生恒定的磁場對被檢測構件進行磁化，其可分為恒定直流磁化和脈動電流磁化。恒定直流磁化對電源要求較高，整流后產生波動范圍較小的直流電，以免產生磁場波動而降低檢測信號的信噪比。磁化電流的大小因被測構件的截面積不同而發(fā)生變化，磁化強度的大小通過控制輸入電流的大小來實現(xiàn)調節(jié)。脈動電流磁化在電氣實現(xiàn)上相對容易，是剩磁法檢測中較常使用的直流磁化方式。
交流磁化是向磁化器中施以交變電流，進而產生交變的磁化場。但由于趨膚效應，磁化場僅存在于被檢測構件表面，因此，交流磁化適合用于鐵磁性構件表面或近表層缺陷的檢測。
永磁磁化以永久磁鐵作為磁源對鐵磁性構件施加磁化。在永久磁鐵磁化中通常采用磁鐵、銜鐵以及鐵磁性構件構成磁回路。它的磁化場與恒定直流磁化產生的磁場有相通性，但磁化強度的調整不如后者方便，其磁路一旦確定磁化強度大小便不可調整。永磁磁化的吸力很大，對抽油桿的前行和檢測探頭的合攏均會帶來不便。
檢測系統(tǒng)主要是針對水平放置在修復車間內的在用抽油桿（即舊抽油桿）進行檢測。考慮抽油桿桿徑較細且兩端存在較大的變徑區(qū)域，永磁磁化的吸力大且尺寸規(guī)格確定后無法進行磁化強度的調節(jié)，對抽油桿的水平運動、磁化的均勻性和檢測探頭張緊均造成不利影響。直流線圈磁化器具有可調節(jié)磁化強度的靈活性，該方式能夠在抽油桿桿體內部產生穩(wěn)定、均勻的磁化場，獲得分辨率良好的缺陷漏磁場。此外，從漏磁信號處理角度來看，缺陷漏磁場承載著缺陷的相關信息，為了更好地辨識出抽油桿的缺陷信號，勵磁電流與缺陷信號頻率之間的差距越大越好。對于一般的檢測速度來說，缺陷信號的頻率范圍是幾十赫茲到上百赫茲，故勵磁電流頻率應該采用低頻或者高頻。
對于細長鐵磁性構件，磁化方式有單磁化線圈和雙磁化線圈兩種方式，如圖7-16所示。單磁化線圈方式中，為了滿足檢測一致性要求，通常將檢測探頭放置于磁化器內部。從而導致線圈內外徑增大，磁通量在抽油桿桿體外的空氣中損失大，磁化效率低且磁化效果差。采用雙勵磁線圈進行軸向磁化時，不僅可以縮減線圈內外徑，增大抽油桿的磁化強度，增加抽油桿的有效磁化區(qū)域，提高磁化效率，而且檢測探頭可以布置在兩個檢測線圈中間部位。根據霍姆赫茲線圈的磁場分布，雙線圈軸向磁化在抽油桿桿體內部更易形成密集而均勻的軸向磁化場，有助于提高檢測信號的靈敏度和穩(wěn)定性。
以直徑φ25mm抽油桿中心線為中心建立2D對稱有限元模型，利用ANSYS仿真軟件計算獲得不同磁化方式下的抽油桿中心線方向的磁感應強度，如圖7-17所示。
從圖7-17分析可知，雙線圈在抽油桿桿體內更易獲得均勻且磁化強度相對較大的軸向磁化場，均勻軸向磁化場接近2.2T，且兩磁化線圈的軸向間距達到了150mm。基于雙線圈軸向直流磁化的抽油桿漏磁自動檢測方案如圖7-18所示，通過軸向布置兩個直流勵磁線圈將抽油桿桿體磁化到飽和或近飽和狀態(tài)，當抽油桿桿體表面有缺陷存在時，抽油桿桿體缺陷處局部材料的磁導率會降低，磁阻增大，抽油桿桿體內部的磁力線會發(fā)生畸變，從而導致部分磁力線泄漏到空氣中，形成缺陷的漏磁場，然后被處于雙勵磁線圈中間的漏磁傳感器拾取，繼而將漏磁信號轉換為電壓信號，之后經過信號放大器進行信號放大和濾波處理，并進入A-D轉換器，完成對漏磁信號的調理和采集，最終漏磁檢測數(shù)字信號進入計算機上位機軟件進行分析處理和顯示。
二、整體方案
抽油桿漏磁自動檢測總體布局如圖7-19所示。抽油桿漏磁自動檢測系統(tǒng)主要包括：料架、氣動翻料機構、傳送機構、氣動壓緊扶正裝置、檢測探頭氣動跟蹤機構。氣動翻料機構完成待檢測抽油桿從上料架到傳送輪以及下料分選區(qū)的傳遞工作；氣動壓緊扶正裝置主要用于壓緊和扶正抽油桿桿體，使其平穩(wěn)地通過檢測設備；檢測探頭氣動跟蹤機構用于實現(xiàn)探頭緊貼桿體表面，并保證抽油桿接箍的順利通過。
抽油桿漏磁自動檢測流程分為以下幾步：
1）氣動上翻料機構將待檢測抽油桿從上料架送至傳送線，抽油桿在傳送機構的驅動下勻速傳送至檢測主機。
2）對磁化器通以直流電，使得磁化器產生穩(wěn)定的軸向磁化場，將抽油桿桿體軸向磁化至飽和或近飽和狀態(tài)。當抽油桿桿體存在缺陷時，缺陷處便會產生相應的漏磁場。
3）缺陷漏磁場被漏磁傳感器拾取，并轉換為電壓信號，之后依次經過信號放大、濾波、A-D轉換，然后完成采集，最后進入計算機的上位機軟件進行顯示和處理。
4）抽油桿檢測完成之后，利用退磁器實現(xiàn)退磁，之后進行下一根抽油桿的循環(huán)檢測。
1. 壓緊扶正裝置
如圖7-20所示，檢測主機由前后兩個壓緊扶正裝置、中間檢測探頭板以及磁化器集于一體，組成一個完整的檢測設備單元。氣動壓緊扶正裝置如圖7-21所示，主要由兩個單級臥式擺線針形電動機、上下壓緊輪、底部支撐氣囊和頂部超薄傳動氣缸組成。壓緊扶正裝置的主要功能是實現(xiàn)傳動構件的導向和驅動，使其平穩(wěn)通過檢測探頭板。
2．檢測探頭
在漏磁檢測中，被檢測的量包括磁感應強度和磁感應強度的梯度，兩者存在根本區(qū)別。感應線圈和霍爾元件的應用也存在根本的不同：感應線圈感應的是空間內磁感應強度的梯度，也即變化程度，與磁感應強度及其空間分布有關；霍爾元件感應的是空間內某點的磁感應強度的絕對值。為實現(xiàn)各類缺陷的全覆蓋檢測，根據檢測桿體缺陷產生的信號特性選擇霍爾元件和感應線圈兩種傳感器同時作為磁敏感元件，如圖7-22所示。
根據霍爾元件和感應線圈的輸出特性，感應線圈雙排交錯布置，相鄰感應線圈串聯(lián)輸出，感應線圈平放布置，可最大限度地拾取缺陷漏磁信號軸向分量；霍爾元件單排立裝布置，有效拾取缺陷漏磁信號軸向分量，相鄰霍爾元件檢測信號并聯(lián)輸出，磁敏感元件全覆蓋布置，如圖7-23所示。將16個感應線圈及8個霍爾元件均布于整圓周范圍內，相鄰感應線圈的中心距約為8mm，相鄰感應線圈串聯(lián)輸出；相鄰霍爾元件中心相距約為11mm，相鄰霍爾元件并聯(lián)后單通道輸出，檢測元件布置時需注意方位保持一致。
同時，在感應線圈中放置聚磁鐵心，感應線圈和聚磁鐵心的長、寬、高尺寸分別為：6mm×2mm×3mm和5mm×1.5mm×3mm。為給傳感器提供良好的工作環(huán)境，并延長使用壽命，將感應線圈和霍爾元件安裝在瓦狀探靴內部，并且在探靴工作表面噴涂耐磨陶瓷。檢測探靴的結構設計如圖7-24所示，單個瓦狀探靴的有效覆蓋角度為α，相鄰瓦狀探靴交錯β角度布置，從而實現(xiàn)抽油桿的全覆蓋檢測。
三、現(xiàn)場應用
抽油桿漏磁自動化檢測系統(tǒng)實物如圖7-25所示，該系統(tǒng)可檢測的抽油桿規(guī)格范圍為φ19～Φ48mm。通過對磁化器、傳感器和檢測探靴的設計，可對抽油桿桿體表面的裂紋、點狀腐蝕等缺陷進行全面可靠的檢測。整個檢測過程可實現(xiàn)自動化，包括抽油桿上料、傳送、檢測、分級、標記和退磁等所有檢測過程，具有良好的工程應用價值，為抽油桿的修復提供了基礎。
