CN112114031A - 一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪 - Google Patents

一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪 Download PDF

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Abstract

一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，包括3组探头，每组探头包括6个阵列，每个阵列包括1个发射线圈T、1个屏蔽线圈B和1个主接收线圈R，6个阵列共用一个发射线圈，在距发射线圈一定距离布置6个绕向相反的屏蔽线圈，可有效抵消直接耦合信号，增强来自于基体金属的信号；发射线圈、屏蔽线圈和主接收线圈的位置和匝数的设置由石油测井理论中感应测井仪器三线圈系原则得到，本发明可穿透涂层直接在基体金属中激发涡流场，分析接收线圈接收的测量信号变化，可判断缺陷数量、位置及大小，且探测过程无接触、无损伤，能最大程度地发现管道中的安全隐患，有效地抑制管道安全事故的发生，更适合石油管道基体金属缺陷的识别。

Description

一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪
技术领域
本发明涉及石油测井技术及无损检测领域，特别涉及一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪。
背景技术
随着经济的发展以及企业生产规模的日益扩大，对于石油天然气能源的需求也日益突显出来。由于石油天然气的运输都是由管道运输，而管道在使用过程中，经常受到施工工艺、环境和材料的影响，造成管道疲劳、腐蚀、脆性等不同形式的损伤，对管道的安全运行造成极大的危害。目前，防止管道安全事故发生最有效的途径就是利用无损检测技术最大程度地发现管道中的安全隐患。
现有的管道无损检测方式有射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测等。射线检测主要是通过对物体声音、电磁波和光线的分析来实现对各类设备和元件的质量检测，其优势为可直观、准确显示管道中全面参数，使质量检测结果更加准确，其弊端为在检测过程中会产生一定辐射，对操作人员、施工人员及周边居民的身体健康带来不良影响，限制了射线检测在石油管道无损检测的应用；超声检测是在密闭环境下，利用超声波发射装置向待检测管道发射超声波，并在管道周围安装声波接收装置，利用计算机进行处理、分析、转化得到缺陷信息，其优势为检测结果精确、速度快，其弊端为对检测环境要求高，成本高昂，不适用于实际石油管道无损检测；磁粉检测的原理是铁质管道被磁化后，对磁粉具有较强的吸附力，利用此特性可检测铁质管道是否有裂缝，其优势为操作简便，成本较低，其弊端为无法检测非磁性材料，对管道表面平整度也有一定要求；渗透检测是利用荧光染料在干净管道表面进行均匀涂刷，再将显相剂均匀喷涂到管道表面，用紫外线灯照射，存在裂缝的部位会呈现出特别的颜色，从而可以判定管道表面裂缝的存在，其优势为可检测不同材质的管道，操作较方便，其弊端是只能检测管道外表面裂缝，对管道内壁或内部裂缝无法检测。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，应用石油测井方法中的阵列感应测井三线圈系(一发两收：发射线圈、主接收线圈和屏蔽线圈)原理设计了线圈系结构，明确了缺陷大小及材料变化对测量信号的影响；清楚显示了单缺陷大小变化及双缺陷间距变化对线圈系测量的影响，利用计算公式可精确获取缺陷大小、位置和间距信息；与双线圈系进行对比，表明了本发明的线圈系结构明显优于双线圈系。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，包括3组探头，每组探头包括6个阵列，每个阵列包括1个发射线圈T、1个屏蔽线圈B和1个主接收线圈R，屏蔽线圈B和主接收线圈R构成接收线圈系，即其中第一组探头的6个阵列为T1、
Figure BDA0002724667660000031
T1、
Figure BDA0002724667660000032
T1、
Figure BDA0002724667660000033
Figure BDA0002724667660000034
T1、
Figure BDA0002724667660000035
T1、
Figure BDA0002724667660000036
T1、
Figure BDA0002724667660000037
所有线圈的法向方向与缺陷正交；3组探头的发射线圈T缠绕方向相同；主接收线圈R缠绕方向与发射线圈T一致；屏蔽线圈B缠绕方向与发射线T圈相反。
3个发射线圈T纵向排列为一列，18个阵列横向排列为相控阵，每6个阵列为一行，共用一个发射线圈T；接收线圈系位于发射线圈T的一侧，接收线圈均为上下两层，第一列的接收线圈
Figure BDA0002724667660000038
为纯屏蔽线圈，上下两层共用；中间3×5的接收线圈，上层为线圈缠绕方向与发射线圈一致的主接收线圈
Figure BDA0002724667660000039
Figure BDA00027246676600000310
下层为线圈缠绕方向与发射线圈T相反的屏蔽线圈
Figure BDA00027246676600000311
Figure BDA00027246676600000312
最后一列接收线圈
Figure BDA00027246676600000313
为纯主接收线圈，上下两层共用。
3组探头单独或者同时测量缺陷，扫描缺陷方向为横向移动，发射线圈T的中心距为1.5cm；屏蔽线圈B与发射线圈T距离为2.5153cm、3.1153cm、3.8584cm、4.7788cm、5.9187cm、7.3306cm；主接收线圈R与发射线圈T距离为3.1153cm、3.8584cm、4.7788cm、5.9187cm、7.3306cm、9.0793cm。
本发明的优点为：应用石油测井方法中的阵列感应测井三线圈系原理设计了石油管道基体金属缺陷无损检测仪，由3组探头构成，每组探头包括6个阵列，每个阵列包括1个发射线圈T、1个屏蔽线圈B和1个主接收线圈R，6个阵列共用一个发射线圈。所有线圈的法向方向与缺陷正交；3个发射线圈缠绕方向相同，均施加正弦变化电流源，同时向石油管道基体金属发射交变电磁信号；在距发射线圈一定距离布置6个绕向相反的屏蔽线圈，可有效抵消直接耦合信号，增强来自于基体金属的信号；在距发射线圈一定距离布置6个绕向相同的主接收线圈，接收来自基体金属的感应信号；发射线圈、屏蔽线圈和主接收线圈的位置和匝数的设置由石油测井理论中感应测井仪器三线圈系原则得到。还可根据探测对象面积大小自主设计探头组数(一般为奇数)和阵列数目。本发明可穿透涂层直接在基体金属中激发涡流场，分析接收线圈接收的测量信号变化，可判断缺陷数量、位置及大小，且探测过程无接触、无损伤，能最大程度地发现管道中的安全隐患，有效地抑制管道安全事故的发生，更适合石油管道基体金属缺陷的识别。
附图说明
图1为本发明的线圈系布置方式示意图。
图2为对应图1的第二组探头阵列结构示意图。
图3为缺陷大小及材料变化对测量信号的影响。
图4为三线圈系中单缺陷位置与探测仪器相对位置示意图。
图5为单缺陷大小变化对线圈系测量的影响，图5中的(a)～(f)分别为三线圈系结构探测0.5cm、1cm、2cm、3cm、4cm和5cm单缺陷；(g)为双线圈系结构探测1cm单缺陷。
图6为三线圈系中双缺陷位置与探测仪器相对位置示意图。
图7为双缺陷间距变化对线圈系测量的影响(缺陷大小为1cm)，图7中的(a)～(f)分别为三线圈系结构探测间距0.1cm、0.2cm、0.5cm、1cm、2cm和3cm双缺陷；(g)为双线圈系结构探测间距1cm双缺陷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细叙述。
参照图1，一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，包括3组探头(参照图1中，虚线框为一组探头)，每组探头包括6个阵列，每个阵列包括1个发射线圈T、1个屏蔽线圈B和1个主接收线圈R，屏蔽线圈B和主接收线圈R构成接收线圈系，即其中第一组探头的6个阵列为T1、
Figure BDA0002724667660000051
T1、
Figure BDA0002724667660000052
Figure BDA0002724667660000053
Figure BDA0002724667660000054
T1、
Figure BDA00027246676600000512
T1、
Figure BDA0002724667660000055
T1、
Figure BDA0002724667660000056
(上述符号上标为探头组号，下标为阵列号，即T1、
Figure BDA0002724667660000057
为第一组探头第一个阵列)。所有线圈的法向方向与缺陷正交；3组探头的发射线圈T(3个发射线圈)缠绕方向相同；主接收线圈R缠绕方向与发射线圈T一致；屏蔽线圈B缠绕方向与发射线T圈相反。
3个发射线圈纵向排列为一列，18个阵列横向排列为相控阵，每6个阵列为一行，共用一个发射线圈T；接收线圈系位于发射线圈T的一侧，接收线圈均为上下两层，第一列的接收线圈
Figure BDA0002724667660000058
为纯屏蔽线圈，上下两层共用；中间3×5的接收线圈，上层为线圈缠绕方向与发射线圈一致的主接收线圈
Figure BDA0002724667660000059
Figure BDA00027246676600000510
下层为线圈缠绕方向与发射线圈T相反的屏蔽线圈
Figure BDA00027246676600000511
Figure BDA0002724667660000061
最后一列接收线圈
Figure BDA0002724667660000062
为纯主接收线圈，上下两层共用。
图2为对应图1的第二组探头阵列结构示意图。6个阵列位于发射线圈的一侧，共用一个发射线圈。匝数的设计参考石油感应测井三线圈系原则。3组探头单独或者同时测量缺陷，扫描缺陷方向为横向移动，发射线圈T中心距为1.5cm；屏蔽线圈B与发射线圈T距离为2.5153cm、3.1153cm、3.8584cm、4.7788cm、5.9187cm、7.3306cm；主接收线圈R与发射线圈T距离为3.1153cm、3.8584cm、4.7788cm、5.9187cm、7.3306cm、9.0793cm。
本发明的工作原理为：
所有线圈的法向方向与缺陷正交；3个发射线圈缠绕方向相同，均施加正弦变化电流源，同时向石油管道基体金属发射交变电磁信号；在距发射线圈一定距离布置6个绕向相反的屏蔽线圈，可有效抵消直接耦合信号，增强来自于基体金属的信号；在距发射线圈一定距离布置6个绕向相同的主接收线圈，接收来自基体金属的感应信号；发射线圈、屏蔽线圈和主接收线圈的位置和匝数的设置由石油测井理论中感应测井仪器三线圈系原则得到。还可根据探测对象面积大小自主设计探头组数(一般为奇数)和阵列数目。本发明可穿透涂层直接在基体金属中激发涡流场，分析接收线圈接收的测量信号变化，可判断缺陷数量、位置及大小，且探测过程无接触、无损伤，能最大程度地发现管道中的安全隐患，有效地抑制管道安全事故的发生，更适合石油管道基体金属缺陷的识别。
三线圈系聚焦原理如下：
在双线圈系基础上，引入屏蔽线圈B，与接收线圈R串联，线圈缠绕方向相反。
三线圈系总直耦信号为
Figure BDA0002724667660000071
式(1)中，IT为发射电流强度；AT为发射线圈面圈，
Figure BDA0002724667660000072
NT为发射线圈匝数；AR和AB是接收线圈和屏蔽线圈的面积；
Figure BDA0002724667660000073
Figure BDA0002724667660000074
NR和NB是接收线圈和屏蔽线圈的匝数；LTR是发射线圈到接收线圈之间的距离；LTB是发射线圈到屏蔽线圈之间的距离。
定义比例因子
Figure BDA0002724667660000075
式(1)变为
Figure BDA0002724667660000076
要使直耦分量等于0，必须使
Figure BDA0002724667660000077
即
NB＝-α3NR (4)
在石油感应测井中，直接测量到的是电压信号(感应电动势)，而最终需要的是电阻率信号，因此，常定义一个测量电导率来表示测量信号，由于测量电导率不等于真实电导率，故将测量电导率称为视电导率。本发明将电压信号转化为视电导率，用视电导率来表示测量信号。
双线圈系视电导率为
Figure BDA0002724667660000078
Figure BDA0002724667660000081
式(6)中，K为仪器常数。
三线圈系视电导率为
Figure BDA0002724667660000082
式(7)中，σaTR为双线圈系TR确定的视电导率；σaTB为双线圈系TB确定的视电导率。
图3～图7为第二组探头单独工作绘制的图形。图3为缺陷大小及材料变化对测量信号的影响。本发明使用的石油管道涂层系统，由厚0.04cm涂层和0.51cm的基底金属构成。涂层电导率为10-5S/m，基体金属电导率为107S/m，缺陷电导率为10-5～107S/m，缺陷大小0.5～5cm。清楚显示不同间距线圈系随缺陷电导率变化很小，本发明选用的缺陷电导率为106S/m。
图4为三线圈系中单缺陷位置与探测仪器相对位置示意图。清楚显示了单缺陷位置与探测仪器相对位置，为后续缺陷位置和大小判断奠定基础。
图5为单缺陷大小变化对线圈系测量的影响。(a)～(f)分别为三线圈系结构探测0.5cm、1cm、2cm、3cm、4cm和5cm单缺陷；(g)为双线圈系结构探测1cm单缺陷。三线圈系结构可清楚判断缺陷大小和位置，计算公式如下：缺陷大小＝测量信号最大值位置-测量信号最小值位置；缺陷中心位置＝测量信号最大值位置+发射线圈与屏蔽线圈间距(LTB)-0.5×缺陷大小；通过对比双线圈系和三线圈系幅值，显示出三线圈系幅值变化是双线圈系的2.5倍，表明了本发明所设计的三线圈系结构明显优于双线圈系。
图6为三线圈系中双缺陷位置与探测仪器相对位置示意图。清楚显示了双缺陷位置、间距与探测仪器相对位置，为后续缺陷数量、位置和大小判断奠定基础。
图7为双缺陷间距变化对线圈系测量的影响(缺陷大小为1cm)。(a)～(f)分别为三线圈系结构探测间距0.1cm、0.2cm、0.5cm、1cm、2cm和3cm双缺陷；(g)为双线圈系结构探测间距1cm双缺陷。三线圈系结构可清楚判断缺陷数量、大小、位置和间距，计算公式如下：缺陷1大小＝测量信号最大值位置(D)-测量信号最小值位置(F)；缺陷2大小＝测量信号最大值位置(H)-测量信号最小值位置(M)；缺陷1中心位置＝缺陷中心位置＝测量信号最大值位置(D)+发射线圈与屏蔽线圈间距(LTB)-0.5×缺陷1大小(D-F)；缺陷2中心位置＝缺陷中心位置＝测量信号最大值位置(H)+发射线圈与屏蔽线圈间距(LTB)-0.5×缺陷2大小(H-M)；缺陷1与缺陷2间距＝第一个测量信号最小值位置(F)-第二个测量信号最大值位置(H)；通过对比双线圈系和三线圈系幅值，显示出三线圈系幅值变化是双线圈系的2.5倍，表明了本发明所设计的三线圈系结构明显优于双线圈系。

Claims (3)

1.一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，其特征在于，包括3组探头，每组探头包括6个阵列，每个阵列包括1个发射线圈T、1个屏蔽线圈B和1个主接收线圈R，屏蔽线圈B和主接收线圈R构成接收线圈系，即其中第一组探头的6个阵列为T1、
Figure FDA0002724667650000011
T1、
Figure FDA0002724667650000012
T1、
Figure FDA0002724667650000013
T1、
Figure FDA0002724667650000014
T1、
Figure FDA0002724667650000015
T1、
Figure FDA0002724667650000016
所有线圈的法向方向与缺陷正交；3组探头的发射线圈T缠绕方向相同；主接收线圈R缠绕方向与发射线圈T一致；屏蔽线圈B缠绕方向与发射线T圈相反。
2.根据权利要求1所述的一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，其特征在于，3个发射线圈纵向排列为一列，18个阵列横向排列为相控阵，每6个阵列为一行，共用一个发射线圈T；接收线圈系位于发射线圈T的一侧，接收线圈均为上下两层，第一列的接收线圈
Figure FDA0002724667650000017
为纯屏蔽线圈，上下两层共用；中间3×5的接收线圈，上层为线圈缠绕方向与发射线圈一致的主接收线圈
Figure FDA0002724667650000018
Figure FDA0002724667650000019
下层为线圈缠绕方向与发射线圈T相反的屏蔽线圈
Figure FDA00027246676500000110
Figure FDA00027246676500000111
最后一列接收线圈
Figure FDA00027246676500000112
Figure FDA00027246676500000113
为纯主接收线圈，上下两层共用。
3.根据权利要求1所述的一种测量石油管道基体金属缺陷的探测仪，其特征在于，3组探头单独或者同时测量缺陷，扫描缺陷方向为横向移动，发射线圈T的中心距为1.5cm；屏蔽线圈B与发射线圈T距离为2.5153cm、3.1153cm、3.8584cm、4.7788cm、5.9187cm、7.3306cm；主接收线圈R与发射线圈T距离为3.1153cm、3.8584cm、4.7788cm、5.9187cm、7.3306cm、9.0793cm。
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