钻杆直流励磁漏磁检测技术的研究

摘要

钻杆是石油钻井设备中不可缺少的关键部件，钻杆缺陷自动检测系统对于提高生产效率，降低人工劳动强度，减少钻探事故和经济损失具有重要意义。本论文以实现钻杆缺陷的自动检测为目标，系统地研究了采用漏磁法进行钻杆的横向、纵向缺陷检测的相关问题及多路缺陷信号的数据采集方法，并初步完成了系统调试。 在研究了国内外漏磁检测技术的现状及发展趋势的基础上，通过对国内外钻杆无损检测方法和系统的研究现状和实现方法的分析，根据钻杆缺陷的实际情况和现场检测要求，确定了应用单一漏磁法为探伤方法的系统整体方案。对横向缺陷检测装置的磁化方式、线圈磁场分布及计算、端部效应和检测盲区等问题进行了研究。设计了恒流源电路，保证了磁场的稳定。讨论了开路磁化和闭路磁化的区别，并提出了材料的起始磁化曲线不能作为钻杆磁化强度的选择依据。应用ANSYS有限元仿真软件对线圈磁场进行仿真分析，与理论计算值进行比较，验证了ANSYS仿真的正确性。应用不同规格钻杆的仿真数据，建立不同规格钻杆的不同开路磁化曲线，并以此作为最佳磁化强度的选择依据。在对比了多种传输方法后，采用滑环作为纵向缺陷检测装置中缺陷信号和外界通信的传输媒介。设计完成了能对多路缺陷信号进行数据采集的数据采集系统。应用FPGA识别数据采集卡发出的脉冲沿来控制多路开关阵列完成了多数据通道的合并，在上位机中根据同步信号将数据还原到各通道，实现了数据的正确采集。提出了一种新颖的数据采集方法，解决了数据采集卡的输入通道数满足多数量传感器的需要问题。 通过现场调试，该钻杆漏磁检测系统可以检测出钻杆的裂纹、孔洞、腐蚀等缺陷，系统运行良好。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的背景与意义

1.2钻杆无损检测系统的研究现状

1.2.1钻杆无损检测方法的研究现状

1.2.2钻杆无损检测系统的研究及应用现状

1.3漏磁无损检测技术的原理与研究现状

1.3.1漏磁检测技术的原理及特点

1.3.2国内外漏磁检测技术的研究现状

1.4论文的主要工作

2钻杆漏磁无损检测系统的方案设计

2.1检测方法的确定

2.2检测方案的确定

2.3钻杆无损检测系统总体结构方案设计

2.3.1钻杆检测的工艺流程

2.3.2系统整体结构说明

3钻杆横向缺陷漏磁检测方法的研究与实现

3.1磁化方式

3.1.1磁化方式概述

3.1.2磁化方式的确定

3.2线圈磁场的分布及计算

3.2.1薄壁线圈磁场的计算

3.2.2厚壁线圈磁场的计算

3.2.3线圈磁场的分布

3.3钻杆纵向磁化时端部退磁场的影响及端部效应的产生原理

3.3.1端部退磁场的研究

3.3.2端部效应产生的原理

3.4磁化装置供电电源的设计

3.4.1恒流电源的设计

3.4.2调整管保护电路的设计

3.5不同规格钻杆最佳磁化强度的研究

3.5.1铁磁性材料的磁化特性

3.5.2闭路磁化与开路磁化的比较

4磁场的有限元分析

4.1有限元法

4.2 ANSYS有限元分析软件概述

4.3应用ANSYS进行二维静态磁场分析

4.3.1应用ANSYS进行分析的步骤

4.3.2空心线圈磁场的模拟分析

4.3.3线圈中通入钻杆的磁场分析

4.4不同规格钻杆最佳磁化强度的确定

5纵向缺陷检测装置的研究与实现

5.1纵向缺陷检测装置系统结构的确定

5.2纵向缺陷检测装置供电和信号传输方法的研究

5.2.1几种供电和信号传输方法的介绍

5.2.2纵向缺陷检测装置供电和信号传输方法的确定

6钻杆漏磁检测数据采集系统的设计

6.1数据采集系统的两个设计指标

6.1.1采样率的确定

6.1.2采样精度及量程的确定

6.2数据采集系统总体方案的确定

6.3数据采集卡PCI-1716概述

6.4 FPGA的特点及应用流程

6.4.1 FPGA概述

6.4.2 FPGA的开发流程

6.4.3 ISE软件综述

6.4.4 VHDL概述

6.4.5 XILINX公司SPARTAN-ⅡE系列FPGA

6.5 FPGA芯片配置电路设计

6.5.1 Xilinx FPGA的配置引脚

6.5.2 Xilinx公司FPGA器件的配置方法

6.5.3 FPGA芯片与PROM的连接电路

6.6系统软件设计

6.6.1横向缺陷检测程序的设计

6.6.2纵向缺陷检测程序的设计

6.7实验结果

7结论

参考文献

附录

在学研究成果

致 谢