抽油杆差动式涡流检测探头的研制

　　抽油杆在使用过程中,长期承受交变负荷的作用,抽油杆在周期性应力作用下会产生疲劳裂纹[1],抽油杆的裂纹一般都是由表向里扩展的,应力及疲劳裂纹都表现为表面微裂纹。双磁芯差动式涡流检测探头对微小裂纹等缺陷检测灵敏度高,工作稳定,而且对检测试件的尺寸厚度变化不敏感。本文研制的双磁芯差动式涡流检测探头配合EEC-51检测系统能够快速准确地检测抽油杆,现场试验表明能够有效地防止断杆事故的发生。

　　1　检测对象特点

　　试件是胜利油田某机械厂生产的20CrMo钢D级CYG16抽油杆。抽油杆是杆头粗、杆体细(杆头直径是杆体直径的2倍左右)的细长柔性杆。抽油杆的缺陷大都集中在五个部位[2](如图1):A推承面台肩与扳手方交界处,B扳手方处,C凸缘与扳手交界处,D杆体凸缘的过渡区,E杆体。抽油杆杆体E及部位A、C、D处的疲劳裂纹成半椭圆状,其自然裂纹主要是由锻造及热处理引起的。抽油杆加工时的残余应力与工作状态下的机械应力都会对缺陷信号造成干扰,有些情况下存在应力损伤。此外,在外界腐蚀的作用下,抽油杆的表面也已形成一些腐蚀坑及机械损伤等缺陷,给检测带来一定的困难。为保证抽油杆在检测过程中始终处于负荷状态和水平状态以模拟抽油杆在井下的实际工作负荷,检测时以液压驱动对抽油杆施以10t以上的水平拉力。

　　2　探头设计和制作

　　2.1　探头设计依据

　　检测采用探头式线圈,两线圈的连接方式为自比较式,磁芯较长,磁场集中,信号幅度大,检测灵敏度高,扫描有效区域大,检测效率高。探头端面设计成与抽油杆曲率相同的弧面,进行设计计算时为简化计算将探头理想化为螺线管模型,如图2。

　　令lFe为磁路长度,线圈截面积为S,总匝数为N,线圈单匝电阻为λ,磁芯相对磁导率为μr,Ro为空气磁阻(相当于和铁芯串联),驱动电压u的幅值为定值,则其自感系数、阻抗表达式及激励电流与阻

抗应有以下关系:

　　由公式(4)可见,线圈激励电流越大,线圈中电流对阻抗的变化越大,仪器对线圈中的阻抗变化越敏感,并且激励电流随线圈匝数的增大而减小。实际上线圈信号对有缺陷导体的变化是通过线圈中磁通的变化传递到线圈中来的。所以,在设计探头时应使线圈有稍大的电流。对公式(4)两端变分,得

　　一般情况下,△Z/Z与仪器本身的性能特点和探头周围的媒质分布有关。只考虑探头的作用,△Z/Z应与探头的自感系数L有关,定义优化参数[3]为P= i +XL,X是为保证量纲一致而引入的参量。要使线圈同时兼顾自感系数和激励电流必须使P取极大值,则, P N= 0, 2P N2< 0,由于在较高频率情况下λ≤ωL,可略去相应项,并由公式(5)可求得线圈匝数N,同理求得线圈截面积S