鋼管電磁探傷儀的製作方法
2023-06-15 19:09:06
專利名稱：鋼管電磁探傷儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種快速探查鋼鐵管材傷痕裂紋的裝置。
在石油天然氣、地質礦產、鹽業等部門鑽探及開採中，大量使用鑽鋌、鑽杆、套管、油管、氣管等專用鋼鐵管材，上述部門和管子站或鑽具管理大隊需要經常對這些管材進行探傷檢查，及時發現隱患，以確保安全鑽探及生產。鋼鐵管材生產廠家，在製造管材中也需要進行傷裂探查，以確保管材出廠質量。以往對石油專用鋼鐵管材的探查，一般都使用超聲波探傷方法，輔以螢光磁粉或X射線探傷。此類探傷方法，對石油、地礦部門所用鋼鐵管材的探查局限性很大，其探查面極其有限，探查速度及效率很低。
本實用新型的目的就是設計一種適用於管子站、鑽井隊井場、管材生產廠家對鋼鐵管材做全方位360°探查，探查面達100％，高效快速，安裝操作簡便，在傷裂處自動聲光報警，並配以記錄儀以記錄整個探傷過程及傷裂信號波形的探傷儀。
本實用新型是一種鋼管電磁探傷儀，其特徵是具有電磁傳感器、前置運算放大電路、濾波檢波電路，傷裂信號放大電路、正負信號放大整形電路、聲光報警電路和記錄儀，所述電磁傳感器由鋁合金或鋁材製做圓盤線圈骨架，在圓盤骨架內層繞制傷裂信號檢測線圈，外層繞制勵磁線圈，兩線圈形成同心圓結構，所述電磁傳感器的檢測信號輸出端接前置運算放大電路的輸入端，前置運算放大電路的輸出端經濾波檢波電路與傷裂信號放大電路的輸入端相連，記錄儀的信號輸入端和正負信號放大整形電路的輸入端同接傷裂信號放大電路的輸出端，正負信號放大整形電路的輸出端接聲光報警電路的電源控制端。在本實用新型的電磁傳感器中，通強電流的勵磁線圈的作用是磁化鋼管，令其有統一的磁化背景值，同時在鋼管傷裂周圍形成磁力線分布的急劇改變。檢測線圈的作用是拾取傷裂處信號。在使用探傷儀時，傳感器套入被測管材，由電機小車推動偉感器在管材上運行，在鋼管傷裂處形成的漏磁及磁力線分布的變化將在傳感器的檢測線圈中形成傷裂信號，此信號輸入前置運算放大電路，經濾波檢波電路、傷裂信號放大電路、正負信號放大整形電路及聲光報警電路處理後在傷裂處當場實現報警。傷裂信號放大電路輸出的傷裂信號同時還送到記錄儀，以實現被測鋼管的全長及傷裂信號的圖紙記錄，可作為資料保存核查，或作進一步傷裂信號波形分析研究。
本實用新型的探傷儀可對鋼鐵管材做全方位360°探測，其探查面達100％，高效快速，安裝操作簡便，可在傷裂處自動聲光報警，並配以記錄儀以記錄整個探傷過程及傷裂信號波形。
本實用新型的內容結合以下實施例作更進一步的說明。
圖1是實施例中鋼管電磁探傷儀的結構框圖。
圖2是電機小車結構示意圖。
圖3是兩種鑽杆四種裂紋曲線記錄圖。
圖4是勵磁檢測線圈及前置運算放大電路、濾波檢波電路、傷裂信號放大電路的電路結構圖。
圖5是正負信號放大整形電路及聲光報警電路的電路結構圖。
圖6是勵磁電源及電路供電穩壓電源的電路結構圖。
圖7是小車電機電源的電路結構圖。
圖8是鋼管電磁探傷儀主機及傳感器外型結構圖。
在圖1中，1為電磁傳感器，2為前置運算放大電路，3為濾波檢波電路，4為傷裂信號放大電路，5為正負信號放大整形電路，6為聲光報警電路，7為記錄儀，8為勵磁電源，9為電機電源，10為電路供電穩壓電源。在本實施例中，電磁傳感器由鋁合金或鋁材製做圓盤線圈骨架，在圓盤骨架內層繞制傷裂信號檢測線圈，外層繞制勵磁線圈，兩線圈形成同心圓結構。如圖1所示，電磁傳感器1的檢測信號輸出端接前置運算放大電路2的輸入端，前置運算放大電路2的輸出端經濾波檢波電路3與傷裂信號放大電路4的輸入端相連，記錄儀7的信號輸入端和正負信號放大整形電路5的輸入端同接傷裂信號放大電路4的輸出端，正負信號放大整形電路5的輸出端接聲光報警電路6的電源控制端。
用於運載電磁傳感器的電機小車之結構如圖2所示，其中編號9，9』為兩個互成90°的小車臂，10，10』分別為安裝在兩臂上的兩個電機，11，11』為兩個電機齒輪變速箱，12，12』分別為兩隻滾花摩擦鋼輪，13為被測鋼管。
本探測儀的工作過程如下傳感器套入平放於地面，並已架高的被測管材內；騎在被測管材上面安裝一個具有兩臂互成90°的小車，小車的每一臂上安裝一個電機，電機軸經齒輪變速箱調整轉軸速度，在已調轉速的延長軸上安裝一個滾花摩擦鋼輪，壓貼在被測鋼管外壁上，由此做成的電機小車，裝載已套入管材中的電磁傳感器在鋼管上前進或後退，往返來回在鋼管上運動以達到對鋼管進行高效，快速，全方位360°，探查覆蓋面達100％的探查(如圖1圖2所示)；電機小車除電機，電機軸及滾花摩擦鋼輪外，全部為鋁合金，鋁材或非磁性材料製做，以防磁化幹擾。
由磁電傳感器；裝載傳感器運行的電機小車；集成運放，瀘波檢波電路，及報警電路組成的主機；記錄儀等四組件構成的本實用新型鋼管電磁探傷儀。已做大量室內及現場各種鋼管的，人工割縫及自然疲勞裂紋的探傷試驗，證明傷裂處磁化後，在檢測線圈中感應到脈動交變信號波形及幅值，因鋼管傷裂的形狀，大小，深淺的不同而有所不同，幅值還與傳感器運行的速度有關；現僅列舉石油鑽井中常用的兩種鑽杆的四種不同的裂紋所測得的三條記錄曲線示於圖3，圖3中，A；B曲線為2米長的5英寸鑽杆P′，距鑽杆兩個端頭分別為0.5米及0.7米處，做兩個C形裂紋所測得的曲線，P1′，P2′表示兩處裂紋，裂紋寬分別為0.25mm及0.5mm，曲線上以A1，B1示之，兩裂紋與鑽杆軸夾角均為30°；A，B兩曲線的幅值不同是為記錄儀採用兩種不同信號衰減檔所測結果。-C曲線為2.8米長的3.5英寸鑽杆P，在距離鑽杆兩端分別為0.9米及1.1米處，做兩個垂直於鑽杆軸的橫向裂紋，以P1，P2示之，裂紋寬均為1mm，裂紋深度，一個是8mm，另一個是3mm；C曲線中幅值大的波形為8mm深的裂紋C1，幅值小的為3mm深的裂紋C2，兩裂紋形態相同，波形相同。
現用本機框圖原理(詳見圖1)，依照鋼管探傷儀流程描述如下騎在鋼管上面的電機小車(見圖2)，裝載著通電的傳感器在鋼管全長上前進一次或後退一次，即可完成全管線，全方位360°的探查，傳感器外圈的勵磁線圈由框圖中8作為勵磁電源供電，內圈中的檢測線圈，在無傷裂的管線所檢測到的幾乎為零的信號，形成記錄紙上的基線近似是一條直線，傳感器運行至鋼管傷裂處，檢測線圈上所拾取的感應交變電流信號輸入到作為前置放大電路2進行低增益放大，放大後的信號經瀘波檢波電路3，將被磁化鋼管上的背景信號瀘除，而檢出有用的傷裂信號，這時被磁化鋼管尤如一根條形磁鐵，分布在鋼管上的磁力線，使在其中運動的傳感器檢測線圈，感應出一個緩慢變化的正弦波信號
，這便是鋼管全長的磁化背景值信號波形，而鋼管傷裂處的傷裂信號波形就騎在這個全長的正弦波上
此正弦波始末端分別對應著鋼管的兩個端頭，正弦波的周期取決於電機小車在鋼管上全長運行所需的時間，一般均為極低之低頻，令滬波電路框號3瀘除這個背景值信號波形，而讓有用的傷裂信號波形通過，輸入到傷裂信號放大電路4進行高增益放大，放大後的傷裂信號分兩路，一路送至作為記錄儀的框號7，實現曲線圖紙記錄，一路送至正負信號放大及整形電路框號5，將不規則正負交變傷裂信號放大整形，形成一個平坦的電平，然後送入聲光報警電路框號6，以實現當場聲光報警，框號9是電機小車供電電源，框號10是各電路及放大電路供電穩壓電源。
本儀器主機結構外型尺寸的長，寬，高為300×300×144(mm3)，重量僅20公斤，所有檢測信號電路的元件，即框號2，3，4，5，6中的元器件，裝置在一塊印刷電路板上，其供電電源10及勵磁電源8置於另一塊印刷電路板，電機電源單獨一塊印刷電路板，主機防水防震抗幹擾能力很強，電磁傳感器重量為20公斤，記錄儀7是專門生產記錄儀的廠家生產，購來配置，如四川儀表四廠出品的ER100型記錄儀及其系列產品，上海自動化儀表三廠生產的XWT-S小型臺式記錄儀，上海大華儀表廠生產的XWTD雙筆單量程或多量程系列記錄儀均適用，根據用戶需要還可配置帶微機高級記錄儀，本儀器主機及傳感器結構示於圖8圖8給出了本實用新型主機儀器的外型結構圖，圖中編號14為記錄儀，本例選用ER100型，其長寬高尺寸為300×144×144(mm3)，與主機儀器編號15的長高尺寸幾乎相等，主機中所有電子元器件分別裝在三塊印刷電路板中，再裝入主機15內，電磁傳感器的編號為16。主機面板上的編號17為傷裂信號與記錄儀連線的插座；編號18為電機電源與小車電機連線的插座；19為勵磁電源與傳感器勵磁線圈連線的插座； 20為傳感器檢測線圈與主機連線的插座；21為電路供電穩壓電源保險管座；22為電機電源保險管座。
本例傳感器內外徑，厚度尺寸為250×560×10(mm3)，可根據被測鋼管直徑大小的不同來設計傳感器的尺寸，以獲得較理想的探傷效果。
圖4中，T1，T2分別為勵磁線圈，傷裂信號檢測線圈，元件IC1A，R1～R10組成前置放大電路，R11.C1～C3組成瀘波及檢波電路，IC1B，R12～R22，C4，C18組成傷裂信號放大電路。圖4中的T1起勵磁作用以磁化鋼管，在鋼管傷裂處形成漏磁及令其周圍磁力線分布改變，檢測線圈T2在傷裂處感應到傷裂信號及鋼管背景值信號一起經一電橋(R1～R4)輸入到IC1A集成運放所組成的低增益前置放大電路，IC1A選用型號為LM747雙運放中的一隻，IC1A的輸出用表1在儀器面板加以監視全信號，R8調節運放的負反饋，以達到改變增益的目的，R4置於儀器面板上，做為一個電橋臂的調節，以平衡T2檢測線圈電阻值接入電橋後所引起的電橋電路不平衡，由運放IC1A輸出的被測鋼管的信號是全信號，其中包括鋼管的磁化背景信號
，及騎在它上面傷裂信號，全信號經由C1～C3，R11組成的瀘波檢波電路後，鋼管的磁化背景信號
被瀘除，而騎在背景信號上的頻率較高(相對於背景信號而言)的傷裂信號，通過C2輸入到IC1B，R12～R22，C18，C4所組成的傷裂信號放大電路，進行較高增益的放大，前述LM747雙運放中的另一隻用作IC1B，其中R19為增益調節，表2置於儀器面板上監視傷裂信號的輸出，IC1A，IC1B，組成的雙運放採用正負雙電源工作，以獲得記錄曲線的基線為零值的正負方向信號記錄，從而實現傳感器前進或後退均能探傷，所感應出的正負信號均能被放大器放大。放大後的傷裂信號分兩路，一路通過R22，C18，經由5號引線輸送到記錄儀以實現傷裂信號曲線的記錄，R22是精密多圈電位器，置於儀器面板上，可以調節輸入記錄儀信號的衰減量，以達到控制傷裂信號記錄幅度值的大小，傷裂信號的另一路經R21及3號引線送到圖5中的正負信號放大整形電路，與該圖的引線3相連接，圖4中1，6號引線分別接圖6中的1，6引線，1；6引線為幾十伏勵磁電源供電引線，0，2，4號引線分別接圖6中的0，2，4號引線，作為正負12伏供電電源。
圖5中元件IC2，IC3，D1～D4，R23～R36，C5，C6組成正負信號放大電路及信號整形電路，元件IC4，IC5，IC6，IC7，BG1，R37～R43，C7～C17，揚聲器YD，指示燈ZD1組成聲光報警電路，經IC1B放大後的正負交變傷裂信號，正值通過D1，IC2A，R23～R28，C5組成的正向同相放大器放大後，輸入到由IC3的G1，-G3，D3組成的整形電路以獲得一個較為平值的報警正電平信號，其中R26為IC2A放大器的負反饋增益調節，經IC1B放大後的傷裂信號的負值通過D2，IC2B，R29～R34，C6組成倒相放大器，將負信號倒相成正信號，再經IC3中的G3，G4，D4組成的整形電路獲得平整的報警電平正信號，與上述正值信號電平一起同時加到由R35，R36組成的分壓器中，通過R35電位器調節出一個報警門限電平值，才送往報警電路，IC2A，IC2B採用型號為LM747雙運放作放大器，整形電路元件IC3採用 CD40106，它是由6隻斯密特門電路所組成，報警門限電平，由電路中的SW1波段開關選擇接通C觸點，則不作聲光報警，而經二極體D6及7號引線直接送到雙筆記錄儀中的一支筆的信號輸入端，以這支筆記錄下報警信號的位置，與另一支筆記錄下傷裂信號波形的同時打出報警電平位置，這個7號接線端還可以接到另外設計的噴漆列印裝置中去以實現在鋼管傷裂處打出噴漆印記，此裝置本實用新型從略，可根據用戶要求而設計配置。
若SW1波段開關選擇接通B觸點，可接通聲光報警電路以實現在鋼管傷裂處當場聲光報警，此時由整形電路送來的報警電平，經二極體D5送到集成電路模擬開關IC7的控制端5，令開關IC7接通報警電源，再經三端集成穩壓器IC6降壓成正5伏給報警集成電路IC5供電，IC6選用型號LM7805，IC7選用型號為TWH8778，IC5選用KD9561型四聲報警電路，它的SEL1及SEL2兩個選擇端，分別與電源或地的四種不同連接法，可以選擇出四種報警信號聲中的一種警音作為報警信號，其O/P警音輸出端接電晶體放大器BG1的基極，BG1放大後由IC4的2腳輸入到IC4所組成的功率放大器，以一定的音頻功率推動揚聲器YD報警，IC4是雙音頻功率集成電路，型號為HA1377A，圖中ZD1作為指示燈與警聲同時點亮，圖5中引線0，2，4分別接圖6中的引線0，2，4，作為正負12伏供電電源。
圖6是供電電源電路結構圖，它由電源開關SW2，電源變壓器T3，指示燈ZD2及L1，L3，C32，C33組成市電交流輸入迴路，ZD2，SW2置於儀器面板上，圖中三端集成穩壓器IC8，全波整流矽堆D11～D14，D7，D8，C19～C23，R43，R44組成幾十伏數安培直流穩壓電源，給勵磁線圈T1供電，電位器R44設置在主機儀器的面板上，根據磁化鋼管的需要可以用R44來調節磁化電流的大小，IC8選用型號為LM138。
由全波整流矽堆D15～D18三端集成穩壓器IC9，D9，C24～C27組成正12伏直流穩壓電源，IC9選用型號LM7812。
由全波整流矽堆D19～D22，三端集成穩壓器IC10，D10，C28～C31組成負12伏直流穩壓電源，IC10選用型號為LM7912，圖6中的1，6，0，2，4號引線分別與前述各電路圖中相對應的引線號相連接。
圖7是電機小車供電電源結構圖，它由電源開關SW3，電源變壓器T4，指示燈ZD3，全波整流矽堆D23～D26，可控矽SCR，電機換向開關SW4，D31，C32～C36，R45～R46所組成的直流電機供電電路，全波整流矽堆D27～D30，R47～R49，穩壓管D32，電晶體BG2，脈衝變壓器T5組成電機調速電路，BG2選用型號BT33，R47選用精密多圈電位器，並設置在儀器面板上，操作中很方便地實現電機的調速，電源開關SW3及換向開關SW4也置於儀器面板上，以便傳感器往返運行的操作。
本實用新型已實施製造數套儀器在某些油氣田管子站試用，獲得較令人滿意的效果。
權利要求1.一種鋼管電磁探傷儀，其特徵是具有電磁傳感器、前置運算放大電路、濾波檢波電路，傷裂信號放大電路、正負信號放大整形電路、聲光報警電路和記錄儀，所述電磁傳感器由鋁合金或鋁材製做圓盤線圈骨架，在圓盤骨架內層繞制傷裂信號檢測線圈，外層繞制勵磁線圈，兩線圈形成同心圓結構，所述電磁傳感器的檢測信號輸出端接前置運算放大電路的輸入端，前置運算放大電路的輸出端經濾波檢波電路與傷裂信號放大電路的輸入端相連，記錄儀的信號輸入端和正負信號放大整形電路的輸入端同接傷裂信號放大電路的輸出端，正負信號放大整形電路的輸出端接聲光報警電路的電源控制端。
專利摘要鋼管電磁探傷儀,其電磁傳感器由鋁合金或鋁材製做圓盤線圈骨架,在圓盤骨架內層繞制傷裂信號檢測線圈,外層繞制勵磁線圈,兩線圈形成同心圓結構,電磁傳感器的檢測信號輸出端接前置運算放大電路的輸入端,前置運算放大電路的輸出端經濾波檢波電路與傷裂信號放大電路的輸入端相連,記錄儀的信號輸入端和正負信號放大整形電路的輸入端同接傷裂信號放大電路的輸出端,正負信號放大整形電路的輸出端接聲光報警電路的電源控制端。
文檔編號G01N27/82GK2289240SQ96233039
公開日1998年8月26日 申請日期1996年4月29日 優先權日1996年4月29日
發明者梅盼和 申請人:梅盼和