CN116399942B - 一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，包括在连续油管外壁上安装六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器；利用六组差分式涡流弧形检测线圈对管道全周向检测，获得差分式涡流阵列线圈检测信号；同时采用光电编码器与连续油管外壁接触，测得连续油管的移动距离信息；移动连续油管，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息进行分析处理后，再通过算法生成二维平面云图；根据二维平面云图识别并且定位连续油管的管道缺陷。本发明可实现在线、无损、全周向小管径双相不锈钢、钛合金连续油管全周向缺陷检测。
Description
技术领域
本发明涉及连续油管缺陷检测技术领域，具体是一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法。
背景技术
常规连续油管由多段强柔性的低碳合金钢管道，斜焊或是对焊连接而成，长度最高可达数千米，连续油管作业装置在油气田服务领域广泛，被誉为“万能作业机”。目前连续油管技术还被应用于油井防砂、水平井施工、气举、酸化作业、井下工具打捞等方面。随着海上油田及腐蚀性作业的增多，常规低碳钢连续油管海上作业耐腐蚀性较差容易发生事故，因此逐渐发展双相不锈钢、钛合金连续油管。双相不锈钢材质的连续油管凭借高塑性、高韧性和高抗腐蚀性被广泛应用于海上作业。钛合金连续油管具有高比强度、低密度、低弹性模量、优异的韧性、优异的抗疲劳和耐腐蚀性能，已成为恶劣使用环境下油井管材（OCTG）的一种很有前途的候选材料，然而在使用过程中，依然发生机械损伤等缺陷，复杂的工况引起了连续油管多样性失效。提前检测连续油管缺陷并采取补救措施，可以提高连续油管使用寿命、规避事故的发生。
目前漏磁检测技术主要用于普通碳钢材料的连续油管的检测，针对在海上作业的双相不锈钢材料的连续油管的检测效果并不有效，对钛合金连续油管无法检测。因此需要开发涡流在线检测方法。涡流检测技术针对所有金属导体材料，适用于双相不锈钢材料的连续油管。
因此，为解决在双相不锈钢、钛合金连续油管的缺陷检测，研制了一种差分式涡流全周向连续油管缺陷检测方法，可实对小管径双相不锈钢钛合金连续油管的在线、无损、全周向检测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，该方法可实现在线、无损、全周向小管径双相不锈钢、钛合金连续油管全周向缺陷检测。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，包括以下步骤：
步骤S10、在连续油管外壁上安装六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器；
步骤S20、同时移动六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器，并利用六组差分式涡流弧形检测线圈对管道全周向检测，获得差分式涡流阵列线圈检测信号；
步骤S30、同时采用光电编码器与连续油管外壁接触，测得连续油管的移动距离信息；
步骤S40、移动连续油管，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息进行分析处理后，再通过算法生成二维平面云图；
步骤S50、根据二维平面云图识别并且定位连续油管的管道缺陷。
进一步的技术方案是，所述步骤S10中六组差分式涡流阵列检测线圈分为两部分，分别安装在连续油管的两个截面上，并呈前后布置；其中每组差分式涡流阵列检测线圈覆盖连续油管外壁60°，六组差分式涡流阵列检测线圈全覆盖连续油管外壁，实现小管径连续油管全周向测量。
进一步的技术方案是，每组差分式涡流阵列检测线圈包括激励线圈和设置在激励线圈两侧的第一接收线圈、第二接收线圈；
所述激励线圈的线圈绕向为逆时针，所述第一接收线圈的线圈绕向为逆时针，所述第二接收线圈的线圈绕向为顺时针；激励线圈通逆时针方向的电流，第一接收线圈的负接线端与第二接收线圈的负接线端相连接，所述第一接收线圈的正接线端与第二接收线圈的正接线端相连接，用于输出第一接收线圈和第二接收线圈之间的差分信号。
进一步的技术方案是，所述激励线圈、第一接收线圈、第二接收线圈内均设有弧形铁氧磁芯，用于改善检测线圈灵敏度。
进一步的技术方案是，所述步骤S20的具体过程为：
步骤S21、利用每组差分式涡流弧形检测线圈产生激励信号；
步骤S22、对激励信号进行计算，获取到平面线圈感应电压；
步骤S23、将激励线圈与第一接收线圈、第二接收线圈等效为电阻与电感，根据基尔霍夫定律得检测线圈输出电压；
步骤S24、计算每组差分式涡流弧形检测线圈的电阻与电感信号。
进一步的技术方案是，所述步骤S40的具体步骤为：
步骤S41、同时移动六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息；
步骤S42、对差分式涡流阵列线圈检测信号进行处理；
步骤S43、建立计算连续油管涡流的数学模型，对差分式涡流阵列线圈检测信号的时域特性、幅频特性进行分析，提取缺陷检测曲线中波峰处信号进行离散傅里叶变换，拟合缺陷尺寸与利用电压峰值、峰值时间和过零时间、过零频率、峰值频率关系式，应用插值算法求得缺陷埋深的二维矩阵，将该矩阵进行等值线成像；
步骤S44、对检测得到的电阻值赋值，不同的电阻值对应不同的色彩区域，最终生成二维平面云图。
进一步的技术方案是，所述差分式涡流阵列线圈检测信号依次通过激励放大电路、信号放大电路、交流耦合电路进行处理，可消除误差，确保传感器采集信号的质量。
进一步的技术方案是，所述二维平面云图展示管道360°展开平面图，其中二维平面云图是圆柱形油管纵向剖开平铺张开形成的矩形面，横坐标为连续油管检测过程中移动的距离，纵坐标为油管的外周长。
进一步的技术方案是，所述六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器分别通过外壳、安全壳套设在连续油管外壁上。
进一步的技术方案是，所述外壳由两个半球形铁架和锁紧扣组成，两个半球形铁架之间通过锁紧扣连接固定，使用锁紧扣固定后外壳具有中空结构，连续油管从中空结构中穿过。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明可实现无损、在线、全周向、连续检测，且减小噪声干扰增大检测面积提高连续油管缺陷检测精度，适用于小管径的双相不锈钢钛合金连续油管；
（2）本发明对连续油管缺陷、位移进行了监测，数据处理模块根据涡流检测线圈与传感器采集数据进行分析处理，检测结果较为准确，可在油田现场作业环境下进行检测，获得清晰、直观、准确的缺陷信息。给出可靠的连续油管使用寿命预测及风险评估，对连续油管安全作业与及时采取安全措施具有重要意义；
（3）本发明采用了六组3D打印差分式涡流阵列检测线圈、铁氧体磁芯、光电编码器、数据处理模块，能够降噪、尽量减小干扰、增大检测面积，获得更加精确的检测结果。
附图说明
图1为差分式阵列涡流检测线圈的左侧立体结构示意图；
图2为差分式阵列涡流检测线圈的右侧立体结构示意图；
图3为差分式涡流检测线圈探头差分接线图。
图中所示：7-1、第一接收线圈；7-2、激励线圈；7-3、第二接收线圈；7-1-1、第一接收线圈的正接线端；7-1-2、第一接收线圈的负接线端；7-3-1、第二接收线圈的正接线端；7-3-2、第二接收线圈的负接线端。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，具体包括以下步骤：
步骤S10、在连续油管外壁上安装外壳和安全壳，同时调整外壳与连续油管的位置，使外壳与连续油管同心；
其中外壳由两个半球形铁架和锁紧扣组成，两个半球形铁架之间通过锁紧扣连接固定，使用锁紧扣固定后外壳具有中空结构，连续油管从中空结构中穿过，调整外壳与差分式涡流阵列检测线圈的的位置，使外壳与连续油管同心；
步骤S20、如图1-图2所示，将六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器分别安装在外壳和安全壳内；根据检测的连续油管直径调整位置；同时调节光电编码器与连续油管之间的距离，使光电编码器紧贴连续油管外壁；
其中六组差分式涡流阵列检测线圈分为两部分，分别安装在连续油管的两个截面上，并呈前后布置；其中每组差分式涡流阵列检测线圈覆盖连续油管外壁60°，六组差分式涡流阵列检测线圈全覆盖连续油管外壁，实现小管径连续油管全周向测量。
同时每组差分式涡流阵列检测线圈包括激励线圈7-2和设置在激励线圈两侧的第一接收线圈7-1、第二接收线圈7-3；
如图3所示，所述激励线圈7-2的线圈绕向为逆时针，所述第一接收线圈7-1的线圈绕向为逆时针，所述第二接收线圈7-3的线圈绕向为顺时针；激励线圈7-1通逆时针方向的电流，第一接收线圈的负接线端7-1-2与第二接收线圈的负接线端7-3-2相连接，所述第一接收线圈的正接线端7-1-1与第二接收线圈的正接线端7-3-1相连接，用于输出第一接收线圈7-1和第二接收线圈7-3之间的差分信号，该信号用于判断缺陷信息；
激励线圈与检测线圈内部置有弧形铁氧磁芯，改善检测线圈灵敏度；
步骤S30、利用六组差分式涡流弧形检测线圈对管道全周向检测，获得差分式涡流阵列线圈检测信号；
步骤S31、利用每组差分式涡流弧形检测线圈产生激励信号；
步骤S32、对激励信号进行计算，获取到平面线圈感应电压，激励线圈得到的总电压为：
式中：为线圈匝数，/>，/>为激励频率，/>为线圈半径，/>为线宽和线间距，为管道厚度；
步骤S33、将激励线圈与第一接收线圈、第二接收线圈等效为电阻与电感，根据基尔霍夫定律得检测线圈输出电压；
式中：为接收线圈的电流，/>为接收线圈电阻，/>为激励项圈与接收线圈的互感,/>为激励源电压，/>为激励线圈总阻抗,/>为接收线圈总阻抗；
步骤S34、计算每组差分式涡流弧形检测线圈的电阻与电感信号；
电阻信号
电感信号
式中：为第/>通道输出的电阻量，/>为第/>通道输出的电感量，/>为移动过程中的检测电阻量，/>为移动过程中的检测电感量，/>为无缺陷时的电阻量，/>为无缺陷时的电感量；
采用六组差分式涡流检测线圈阵列测得连续油管全周向感生电势变化，当连续油管表面没有缺陷存在时，感应电流线之间相互平行，近表面存在均匀磁场；如果连续油管表面存在缺陷时，缺陷处涡流场出现畸变，导致接收线圈阻抗发生相应变化。这个阻抗的实部（电阻）和虚部（电感）的变化就能反应缺陷的大小和尺寸信息；
步骤S40、同时采用光电编码器与连续油管外壁接触，测得连续油管的移动距离信息；
步骤S50、移动连续油管，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息进行分析处理后，再通过算法生成二维平面云图；
步骤S51、同时移动六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息；
步骤S52、对差分式涡流阵列线圈检测信号进行处理；
步骤S53、建立计算连续油管涡流的数学模型，对差分式涡流阵列线圈检测信号的时域特性、幅频特性进行分析，提取缺陷检测曲线中波峰处信号进行离散傅里叶变换，拟合缺陷尺寸与利用电压峰值、峰值时间和过零时间、过零频率、峰值频率关系式，应用插值算法求得缺陷埋深的二维矩阵，将该矩阵进行等值线成像；
步骤S54、对检测得到的电阻值赋值，不同的电阻值对应不同的色彩区域，最终生成二维平面云图。
步骤S60、根据二维平面云图识别并且定位连续油管的管道缺陷，实现缺陷可视化，二维平面云图展示管道360°展开平面图，横坐标代表着位移距离，纵坐标为管道外周长，颜色表示缺陷深度，在图像中直观反映出被检测连续油管缺陷的大小、形状、位置等信息。
即本发明是安装连续油管缺陷检测装置后，差分式涡流阵列检测线圈开始采集管道数据，光电编码器采集管道位移距离，将位移数据与缺陷信息进行存储，同时调用数据处理模块对已保存的数据进行分析处理，将整个检测过程中的阻抗值与位移距离和检测线圈编号相结合，在上位机检测软件中将输出的阻抗信号经过处理在上位机检测软件内生成二维平面云图实现缺陷可视化，二维平面云图展示管道360°展开平面图，矩形框图是圆柱形油管纵向剖开平铺张开形成的矩形面，横坐标为连续油管检测过程中移动的距离，纵坐标为油管的外周长，根据检测线圈覆盖管道外周位置编号，确定缺陷在某一个探头附近。框内实时彩色云图的颜色由蓝到红表示油管腐蚀深度，色彩颜色亮度越高则腐蚀或缺陷越深。实验与理论拟合，阻抗虚部的数值与缺陷或者腐蚀区域的面积大小有相对应的关系，颜色亮度深浅与涡流检测阻抗变化成正比，在图像中直观反映出被检测连续油管缺陷的深度、形状、位置等信息。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、在连续油管外壁上安装六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器；
六组差分式涡流阵列检测线圈分为两部分，分别安装在连续油管的两个截面上，并呈前后布置；其中每组差分式涡流阵列检测线圈覆盖连续油管外壁60°，六组差分式涡流阵列检测线圈全覆盖连续油管外壁，实现小管径连续油管全周向测量；
每组差分式涡流阵列检测线圈包括激励线圈和设置在激励线圈两侧的第一接收线圈、第二接收线圈；
所述激励线圈的线圈绕向为逆时针，所述第一接收线圈的线圈绕向为逆时针，所述第二接收线圈的线圈绕向为顺时针；激励线圈通逆时针方向的电流，第一接收线圈的负接线端与第二接收线圈的负接线端相连接，所述第一接收线圈的正接线端与第二接收线圈的正接线端相连接，用于输出第一接收线圈和第二接收线圈之间的差分信号；
步骤S20、利用六组差分式涡流弧形检测线圈对管道全周向检测，获得差分式涡流阵列线圈检测信号；
步骤S21、利用每组差分式涡流弧形检测线圈产生激励信号；
步骤S22、对激励信号进行计算，获取到平面线圈感应电压；
式中：n为线圈匝数，ω=2πf，f为激励频率，a、b为线圈半径，d为线宽和线间距，z为管道厚度；
步骤S23、将激励线圈与第一接收线圈、第二接收线圈等效为电阻与电感，根据基尔霍夫定律得检测线圈输出电压；
式中：I 2为接收线圈的电流，R L为接收线圈电阻，M为激励项圈与接收线圈的互感，V S为激励源电压，Z 1为激励线圈总阻抗，Z 2为接收线圈总阻抗；
步骤S24、计算每组差分式涡流弧形检测线圈的电阻与电感信号；
电阻信号
电感信号
式中：R i为第i通道输出的电阻量，L i为第i通道输出的电感量，R s为移动过程中的检测电阻量，L s为移动过程中的检测电感量，R 0为无缺陷时的电阻量，L 0为无缺陷时的电感量；
步骤S30、同时采用光电编码器与连续油管外壁接触，测得连续油管的移动距离信息；
步骤S40、移动连续油管，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息进行分析处理后，再通过算法生成二维平面云图；
步骤S41、同时移动六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器，并对移动过程中输出的差分式涡流阵列线圈检测信号、移动距离信息；
步骤S42、对差分式涡流阵列线圈检测信号进行处理；
步骤S43、建立计算连续油管涡流的数学模型，对差分式涡流阵列线圈检测信号的时域特性、幅频特性进行分析，提取缺陷检测曲线中波峰处信号进行离散傅里叶变换，拟合缺陷尺寸与利用电压峰值、峰值时间和过零时间、过零频率、峰值频率关系式，应用插值算法求得缺陷埋深的二维矩阵，将该矩阵进行等值线成像；
步骤S44、对检测得到的电阻值赋值，不同的电阻值对应不同的色彩区域，最终生成二维平面云图；
步骤S50、根据二维平面云图识别并且定位连续油管的管道缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，其特征在于，所述激励线圈、第一接收线圈、第二接收线圈内均设有弧形铁氧磁芯，用于改善检测线圈灵敏度。
3.根据权利要求1所述的一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，其特征在于，所述差分式涡流阵列线圈检测信号依次通过激励放大电路、信号放大电路、交流耦合电路进行处理，可消除误差，确保传感器采集信号的质量。
4.根据权利要求1所述的一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，其特征在于，所述二维平面云图展示管道360°展开平面图，其中二维平面云图是圆柱形油管纵向剖开平铺张开形成的矩形面，横坐标为连续油管检测过程中移动的距离，纵坐标为油管的外周长。
5.根据权利要求1所述的一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，其特征在于，所述六组差分式涡流弧形检测线圈和光电编码器分别通过外壳、安全壳套设在连续油管外壁上。
6.根据权利要求5所述的一种差分式涡流连续油管全周向缺陷在线检测方法，其特征在于，所述外壳由两个半球形铁架和锁紧扣组成，两个半球形铁架之间通过锁紧扣连接固定，使用锁紧扣固定后外壳具有中空结构，连续油管从中空结构中穿过。
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