Page 90 - 无损检测2022年第十一期

叶文超, 等:

钻杆连接螺纹磁扰动检测方法与系统

个方向的缺陷, 具有较高的检测灵敏度与空间分辨 作用的影响下, 磁力线将依照磁感应线最短的原则
率。因此, 笔者将磁扰动法用于检测钻杆连接螺纹 分布。当永磁体沿着螺纹轨迹匀速扫查, 未经过缺
根部裂纹, 采用仿形探头沿螺纹轨迹扫查的方式实 陷位置时, 永磁体与外螺纹之间原有磁场的分布并
施检测, 且设计了多自由度自适应探头跟踪机构, 以 不会发生改变, 此时并无磁扰动产生; 当经过缺陷位
此来满足对钻杆连接螺纹高效、 可靠的检测需求。 置时, 缺陷作为不连续突变, 会导致磁相互作用场发
1 钻杆连接螺纹特征与检测方法 生重构, 影响永磁体内部及其近表面处的磁场分布,
即形成了磁扰动; 而永磁体位置相对缺陷位置不同
1.1 钻杆连接螺纹结构和缺陷特征 时, 重构后的磁作用场也不相同, 造成的扰动量也不
钻杆接头分为钻杆公接头和钻杆母接头两种, 相同, 采用合适的方法对该扰动量进行拾取并处理,
公接头上加工有外螺纹, 而母接头上加工有内螺纹, 便可得到与缺陷相关的信息。
分别位于同一根钻杆的两端, 与钻杆杆体通过摩擦 由缺陷引起的磁扰动按扰动区域分可以分为永
焊相连接。以 5-1 / 2″ 扣型 DS55 钻杆连接螺纹作为 磁体内部的磁扰动和永磁体近表面处的外部磁扰动。
研究对象, 牙型代号为 V-0.038R , 锥度为 1∶6 , 相关 目前较为常见的磁扰动检测传感器是将感应线圈环
研究方法可作调整后应用于其他类型的钻杆连接螺 绕在永磁体上, 检测的是永磁体内部的磁扰动, 感应
纹检测。螺纹表面缺陷主要为螺纹根部的疲劳裂纹 线圈对于永磁体磁通量变化的拾取更具有全面性, 但
以及腐蚀孔洞, 裂纹一般呈长条锯齿状, 深度与长度 也同样可以选取高灵敏度的传感器布置在永磁体的
成正比, 多沿周向分布。 下方, 以检测永磁体近表面处的外部磁扰动所引起的
1.2 钻杆连接螺纹磁扰动检测方法 磁场变化, 即通过获取缺陷导致的磁场变化间接来反
目前使用比较广泛的磁扰动检测传感器通常为 映出缺陷的存在与否, 实现对缺陷的无损检测。
圆柱体形永磁体加环绕感应线圈的结构, 但钻杆连 1.3 磁扰动检测探头设计
接螺纹在几何结构上具有一定的特殊性, 牙型尺寸 为了保证对磁扰动信号的观测效果, 永磁体所
都比较小, 采用圆柱体形永磁体往往无法兼顾提离 提供的磁场强度需达到一定大小, 永磁体的长度、 宽
高度和磁化强度。 度、 高度以及提离高度( 永磁体下表面与螺纹根部最

因此, 文章所采用长方体形 Nd 2 Fe 14 B 永磁体, 低点的距离) 都会影响到其正下方螺纹根部的磁化
其具有良好的磁性性能与加工性能, 可以裁剪出合 效果。为了考察这些参数对于磁化效果的影响, 采

适尺寸的长方体形永磁体, 在满足较小提离高度的 用 COMSOL Multi p h y sics软件进行展开分析。
同时又能保证磁化强度。由于磁扰动检测法对于各 以钻杆连接外螺纹为例, 根据实际的钻杆连接
个方向的缺陷都具有敏感性, 故通过将长方体形永 螺纹加工标准尺寸建立了钻杆连接外螺纹的仿真模
磁体与合适的磁传感器制成近似“ 点式” 探头, 再沿 型, 为了减少计算量及缩短计算时间, 在不影响仿真
着螺纹轨迹进行扫查, 即可实现对螺纹根部缺陷的 结果的前提下, 对原有仿真模型做了适当的简化, 最
终模型如图 2 所示。
检测。钻杆连接螺纹磁扰动检测如图 1 所示。
图 1 以钻杆连接外螺纹为例, 内螺纹同理。当
永磁体放置于钻杆连接外螺纹沟道内时, 在磁相互

图 2 钻杆连接螺纹仿真模型
在该模型中, 永磁体下表面正对钻杆螺纹根部
设置为与此处螺纹半径相对应的弧形面, 但螺纹段
不同位置处的半径都不相同, 弧形面并不通用, 并且
弧形面会增加永磁体的加工难度, 也会影响传感器
图 1 钻杆连接螺纹磁扰动检测示意 的布置效果。考虑到永磁体尺寸比钻杆连接螺纹的

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2022 年 第 44 卷 第 11 期

无损检测