基于永磁体磁扰动的钻具螺纹检测方法与装置

　　钻具是石油开采中使用的重要器材,在钻井服役的过程中,因工作环境恶劣,既受到交变的冲击载荷,又受腐蚀、磨损、温度及压力等因素的影响,同时由于钻具自身设计结构、材质选用及加工处理等因素,失效断裂事故时有发生。钻具在旋转过程中,螺纹连接部位受到弯、扭交变载荷作用,且弯曲最剧烈的部位是螺纹消失端的扣底部分,加上螺纹本身结构因素的影响,在螺纹尾部的牙根处产生严重的应力集中,使钻具连接螺纹成为最容易失效的部位。钻具失效事故的历年统计表明,钻具接头及螺纹失效约占钻具失效事故的80%左右[1-2]。及时发现钻具螺纹部位的早期失效,并做出合适的修理处理或报废,是预防钻具断裂事故发生行之有效的途径之一。目前,超声和磁粉是应用较为广泛的两种检测钻具螺纹裂纹的无损探伤方法,然而这两种方法均存在一定的使用局限性,且人为因素的影响都较大;另外有采用ACFM和漏磁检测方法来实现钻具螺纹的检测[3-4],但所形成的检测装置结构复杂,不易操作。到目前为止,钻具螺纹区域的探伤之所以还没有一种比较方便、准确、高效的探伤检测方法,主要原因是其在几何结构及缺陷特征上的特殊性。为此,笔者提出一种基于微小永磁体磁扰动的检测方法,实现钻具螺纹的便捷和快速探伤。

　　1　永磁体磁扰动检测原理

　　永磁体附近存在着磁场,根据磁场的近距作用观点[5],磁能是定域在磁场中的,只与磁场和磁场分布的空间有关。由最小能量原理[6-7]可知当一个体系达到稳定的平衡态时,该体系总是处于最低的能量状态,所以磁场处于低能态时更稳定。静态的磁作用场已处于低能稳态,当这个平衡状态被打破时,磁场会产生改变,使磁能重新趋于低能稳态,直到磁场再次成为静态场。磁场在由中间变化到再次呈现静态的过程中发生了重构,而这一重构变化持续的时间很短,相对于原本静态的磁场来说其瞬间的重构变化可以称之为磁扰动[8]。

　　永磁体磁扰动检测方法就是建立在磁相互作用场发生突变时有磁扰动现象发生的基础之上的。其检测原理如图1所示,永磁体作为磁源靠近被检测导磁构件,与其表面构成相互磁作用场,形成具有一定低势稳态的磁能场。当该导磁构件表面发生不连续性突变时,构建的整个相互磁作用场会产生磁扰动,这一磁扰动会反馈到磁源永磁体,采用穿过式线圈环绕在永磁体上捕获永磁体的磁扰动变化,并转换成相应电压变化,通过对电压信号的识别就可以获得导磁构件上与之对应的不连续性信息所在。由于永磁体磁扰动检测方法是以磁作用场发生突变时的磁扰动机理为检测基础,被检测导磁构件只要存在不连续性突变就会产生磁扰动,而与不连续性的走向无关,所以该方法具有能够检测导磁构件上全方位走向缺陷的检测特性。