专利名称：钢管电磁探伤仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种快速探查钢铁管材伤痕裂纹的装置。
在石油天然气、地质矿产、盐业等部门钻探及开采中，大量使用钻铤、钻杆、套管、油管、气管等专用钢铁管材，上述部门和管子站或钻具管理大队需要经常对这些管材进行探伤检查，及时发现隐患，以确保安全钻探及生产。钢铁管材生产厂家，在制造管材中也需要进行伤裂探查，以确保管材出厂质量。以往对石油专用钢铁管材的探查，一般都使用超声波探伤方法，辅以荧光磁粉或X射线探伤。此类探伤方法，对石油、地矿部门所用钢铁管材的探查局限性很大，其探查面极其有限，探查速度及效率很低。
本实用新型的目的就是设计一种适用于管子站、钻井队井场、管材生产厂家对钢铁管材做全方位360°探查，探查面达100％，高效快速，安装操作简便，在伤裂处自动声光报警，并配以记录仪以记录整个探伤过程及伤裂信号波形的探伤仪。
本实用新型是一种钢管电磁探伤仪，其特征是具有电磁传感器、前置运算放大电路、滤波检波电路，伤裂信号放大电路、正负信号放大整形电路、声光报警电路和记录仪，所述电磁传感器由铝合金或铝材制做圆盘线圈骨架，在圆盘骨架内层绕制伤裂信号检测线圈，外层绕制励磁线圈，两线圈形成同心圆结构，所述电磁传感器的检测信号输出端接前置运算放大电路的输入端，前置运算放大电路的输出端经滤波检波电路与伤裂信号放大电路的输入端相连，记录仪的信号输入端和正负信号放大整形电路的输入端同接伤裂信号放大电路的输出端，正负信号放大整形电路的输出端接声光报警电路的电源控制端。在本实用新型的电磁传感器中，通强电流的励磁线圈的作用是磁化钢管，令其有统一的磁化背景值，同时在钢管伤裂周围形成磁力线分布的急剧改变。检测线圈的作用是拾取伤裂处信号。在使用探伤仪时，传感器套入被测管材，由电机小车推动伟感器在管材上运行，在钢管伤裂处形成的漏磁及磁力线分布的变化将在传感器的检测线圈中形成伤裂信号，此信号输入前置运算放大电路，经滤波检波电路、伤裂信号放大电路、正负信号放大整形电路及声光报警电路处理后在伤裂处当场实现报警。伤裂信号放大电路输出的伤裂信号同时还送到记录仪，以实现被测钢管的全长及伤裂信号的图纸记录，可作为资料保存核查，或作进一步伤裂信号波形分析研究。
本实用新型的探伤仪可对钢铁管材做全方位360°探测，其探查面达100％，高效快速，安装操作简便，可在伤裂处自动声光报警，并配以记录仪以记录整个探伤过程及伤裂信号波形。
本实用新型的内容结合以下实施例作更进一步的说明。
图1是实施例中钢管电磁探伤仪的结构框图。
图2是电机小车结构示意图。
图3是两种钻杆四种裂纹曲线记录图。
图4是励磁检测线圈及前置运算放大电路、滤波检波电路、伤裂信号放大电路的电路结构图。
图5是正负信号放大整形电路及声光报警电路的电路结构图。
图6是励磁电源及电路供电稳压电源的电路结构图。
图7是小车电机电源的电路结构图。
图8是钢管电磁探伤仪主机及传感器外型结构图。
在图1中，1为电磁传感器，2为前置运算放大电路，3为滤波检波电路，4为伤裂信号放大电路，5为正负信号放大整形电路，6为声光报警电路，7为记录仪，8为励磁电源，9为电机电源，10为电路供电稳压电源。在本实施例中，电磁传感器由铝合金或铝材制做圆盘线圈骨架，在圆盘骨架内层绕制伤裂信号检测线圈，外层绕制励磁线圈，两线圈形成同心圆结构。如图1所示，电磁传感器1的检测信号输出端接前置运算放大电路2的输入端，前置运算放大电路2的输出端经滤波检波电路3与伤裂信号放大电路4的输入端相连，记录仪7的信号输入端和正负信号放大整形电路5的输入端同接伤裂信号放大电路4的输出端，正负信号放大整形电路5的输出端接声光报警电路6的电源控制端。
用于运载电磁传感器的电机小车之结构如图2所示，其中编号9，9’为两个互成90°的小车臂，10，10’分别为安装在两臂上的两个电机，11，11’为两个电机齿轮变速箱，12，12’分别为两只滚花摩擦钢轮，13为被测钢管。
本探测仪的工作过程如下传感器套入平放于地面，并已架高的被测管材内；骑在被测管材上面安装一个具有两臂互成90°的小车，小车的每一臂上安装一个电机，电机轴经齿轮变速箱调整转轴速度，在已调转速的延长轴上安装一个滚花摩擦钢轮，压贴在被测钢管外壁上，由此做成的电机小车，装载已套入管材中的电磁传感器在钢管上前进或后退，往返来回在钢管上运动以达到对钢管进行高效，快速，全方位360°，探查覆盖面达100％的探查(如图1图2所示)；电机小车除电机，电机轴及滚花摩擦钢轮外，全部为铝合金，铝材或非磁性材料制做，以防磁化干扰。
由磁电传感器；装载传感器运行的电机小车；集成运放，泸波检波电路，及报警电路组成的主机；记录仪等四组件构成的本实用新型钢管电磁探伤仪。已做大量室内及现场各种钢管的，人工割缝及自然疲劳裂纹的探伤试验，证明伤裂处磁化后，在检测线圈中感应到脉动交变信号波形及幅值，因钢管伤裂的形状，大小，深浅的不同而有所不同，幅值还与传感器运行的速度有关；现仅列举石油钻井中常用的两种钻杆的四种不同的裂纹所测得的三条记录曲线示于图3，图3中，A；B曲线为2米长的5英寸钻杆P′，距钻杆两个端头分别为0.5米及0.7米处，做两个C形裂纹所测得的曲线，P1′，P2′表示两处裂纹，裂纹宽分别为0.25mm及0.5mm，曲线上以A1，B1示之，两裂纹与钻杆轴夹角均为30°；A，B两曲线的幅值不同是为记录仪采用两种不同信号衰减档所测结果。-C曲线为2.8米长的3.5英寸钻杆P，在距离钻杆两端分别为0.9米及1.1米处，做两个垂直于钻杆轴的横向裂纹，以P1，P2示之，裂纹宽均为1mm，裂纹深度，一个是8mm，另一个是3mm；C曲线中幅值大的波形为8mm深的裂纹C1，幅值小的为3mm深的裂纹C2，两裂纹形态相同，波形相同。
现用本机框图原理(详见图1)，依照钢管探伤仪流程描述如下骑在钢管上面的电机小车(见图2)，装载着通电的传感器在钢管全长上前进一次或后退一次，即可完成全管线，全方位360°的探查，传感器外圈的励磁线圈由框图中8作为励磁电源供电，内圈中的检测线圈，在无伤裂的管线所检测到的几乎为零的信号，形成记录纸上的基线近似是一条直线，传感器运行至钢管伤裂处，检测线圈上所拾取的感应交变电流信号输入到作为前置放大电路2进行低增益放大，放大后的信号经泸波检波电路3，将被磁化钢管上的背景信号泸除，而检出有用的伤裂信号，这时被磁化钢管尤如一根条形磁铁，分布在钢管上的磁力线，使在其中运动的传感器检测线圈，感应出一个缓慢变化的正弦波信号
，这便是钢管全长的磁化背景值信号波形，而钢管伤裂处的伤裂信号波形就骑在这个全长的正弦波上
此正弦波始末端分别对应着钢管的两个端头，正弦波的周期取决于电机小车在钢管上全长运行所需的时间，一般均为极低之低频，令沪波电路框号3泸除这个背景值信号波形，而让有用的伤裂信号波形通过，输入到伤裂信号放大电路4进行高增益放大，放大后的伤裂信号分两路，一路送至作为记录仪的框号7，实现曲线图纸记录，一路送至正负信号放大及整形电路框号5，将不规则正负交变伤裂信号放大整形，形成一个平坦的电平，然后送入声光报警电路框号6，以实现当场声光报警，框号9是电机小车供电电源，框号10是各电路及放大电路供电稳压电源。
本仪器主机结构外型尺寸的长，宽，高为300×300×144(mm3)，重量仅20公斤，所有检测信号电路的元件，即框号2，3，4，5，6中的元器件，装置在一块印刷电路板上，其供电电源10及励磁电源8置于另一块印刷电路板，电机电源单独一块印刷电路板，主机防水防震抗干扰能力很强，电磁传感器重量为20公斤，记录仪7是专门生产记录仪的厂家生产，购来配置，如四川仪表四厂出品的ER100型记录仪及其系列产品，上海自动化仪表三厂生产的XWT-S小型台式记录仪，上海大华仪表厂生产的XWTD双笔单量程或多量程系列记录仪均适用，根据用户需要还可配置带微机高级记录仪，本仪器主机及传感器结构示于图8图8给出了本实用新型主机仪器的外型结构图，图中编号14为记录仪，本例选用ER100型，其长宽高尺寸为300×144×144(mm3)，与主机仪器编号15的长高尺寸几乎相等，主机中所有电子元器件分别装在三块印刷电路板中，再装入主机15内，电磁传感器的编号为16。主机面板上的编号17为伤裂信号与记录仪连线的插座；编号18为电机电源与小车电机连线的插座；19为励磁电源与传感器励磁线圈连线的插座； 20为传感器检测线圈与主机连线的插座；21为电路供电稳压电源保险管座；22为电机电源保险管座。
本例传感器内外径，厚度尺寸为250×560×10(mm3)，可根据被测钢管直径大小的不同来设计传感器的尺寸，以获得较理想的探伤效果。
图4中，T1，T2分别为励磁线圈，伤裂信号检测线圈，元件IC1A，R1～R10组成前置放大电路，R11.C1～C3组成泸波及检波电路，IC1B，R12～R22，C4，C18组成伤裂信号放大电路。图4中的T1起励磁作用以磁化钢管，在钢管伤裂处形成漏磁及令其周围磁力线分布改变，检测线圈T2在伤裂处感应到伤裂信号及钢管背景值信号一起经一电桥(R1～R4)输入到IC1A集成运放所组成的低增益前置放大电路，IC1A选用型号为LM747双运放中的一只，IC1A的输出用表1在仪器面板加以监视全信号，R8调节运放的负反馈，以达到改变增益的目的，R4置于仪器面板上，做为一个电桥臂的调节，以平衡T2检测线圈电阻值接入电桥后所引起的电桥电路不平衡，由运放IC1A输出的被测钢管的信号是全信号，其中包括钢管的磁化背景信号
，及骑在它上面伤裂信号，全信号经由C1～C3，R11组成的泸波检波电路后，钢管的磁化背景信号
被泸除，而骑在背景信号上的频率较高(相对于背景信号而言)的伤裂信号，通过C2输入到IC1B，R12～R22，C18，C4所组成的伤裂信号放大电路，进行较高增益的放大，前述LM747双运放中的另一只用作IC1B，其中R19为增益调节，表2置于仪器面板上监视伤裂信号的输出，IC1A，IC1B，组成的双运放采用正负双电源工作，以获得记录曲线的基线为零值的正负方向信号记录，从而实现传感器前进或后退均能探伤，所感应出的正负信号均能被放大器放大。放大后的伤裂信号分两路，一路通过R22，C18，经由5号引线输送到记录仪以实现伤裂信号曲线的记录，R22是精密多圈电位器，置于仪器面板上，可以调节输入记录仪信号的衰减量，以达到控制伤裂信号记录幅度值的大小，伤裂信号的另一路经R21及3号引线送到图5中的正负信号放大整形电路，与该图的引线3相连接，图4中1，6号引线分别接图6中的1，6引线，1；6引线为几十伏励磁电源供电引线，0，2，4号引线分别接图6中的0，2，4号引线，作为正负12伏供电电源。
图5中元件IC2，IC3，D1～D4，R23～R36，C5，C6组成正负信号放大电路及信号整形电路，元件IC4，IC5，IC6，IC7，BG1，R37～R43，C7～C17，扬声器YD，指示灯ZD1组成声光报警电路，经IC1B放大后的正负交变伤裂信号，正值通过D1，IC2A，R23～R28，C5组成的正向同相放大器放大后，输入到由IC3的G1，-G3，D3组成的整形电路以获得一个较为平值的报警正电平信号，其中R26为IC2A放大器的负反馈增益调节，经IC1B放大后的伤裂信号的负值通过D2，IC2B，R29～R34，C6组成倒相放大器，将负信号倒相成正信号，再经IC3中的G3，G4，D4组成的整形电路获得平整的报警电平正信号，与上述正值信号电平一起同时加到由R35，R36组成的分压器中，通过R35电位器调节出一个报警门限电平值，才送往报警电路，IC2A，IC2B采用型号为LM747双运放作放大器，整形电路元件IC3采用 CD40106，它是由6只斯密特门电路所组成，报警门限电平，由电路中的SW1波段开关选择接通C触点，则不作声光报警，而经二极管D6及7号引线直接送到双笔记录仪中的一支笔的信号输入端，以这支笔记录下报警信号的位置，与另一支笔记录下伤裂信号波形的同时打出报警电平位置，这个7号接线端还可以接到另外设计的喷漆打印装置中去以实现在钢管伤裂处打出喷漆印记，此装置本实用新型从略，可根据用户要求而设计配置。
若SW1波段开关选择接通B触点，可接通声光报警电路以实现在钢管伤裂处当场声光报警，此时由整形电路送来的报警电平，经二极管D5送到集成电路模拟开关IC7的控制端5，令开关IC7接通报警电源，再经三端集成稳压器IC6降压成正5伏给报警集成电路IC5供电，IC6选用型号LM7805，IC7选用型号为TWH8778，IC5选用KD9561型四声报警电路，它的SEL1及SEL2两个选择端，分别与电源或地的四种不同连接法，可以选择出四种报警信号声中的一种警音作为报警信号，其O/P警音输出端接晶体管放大器BG1的基极，BG1放大后由IC4的2脚输入到IC4所组成的功率放大器，以一定的音频功率推动扬声器YD报警，IC4是双音频功率集成电路，型号为HA1377A，图中ZD1作为指示灯与警声同时点亮，图5中引线0，2，4分别接图6中的引线0，2，4，作为正负12伏供电电源。
图6是供电电源电路结构图，它由电源开关SW2，电源变压器T3，指示灯ZD2及L1，L3，C32，C33组成市电交流输入回路，ZD2，SW2置于仪器面板上，图中三端集成稳压器IC8，全波整流硅堆D11～D14，D7，D8，C19～C23，R43，R44组成几十伏数安培直流稳压电源，给励磁线圈T1供电，电位器R44设置在主机仪器的面板上，根据磁化钢管的需要可以用R44来调节磁化电流的大小，IC8选用型号为LM138。
由全波整流硅堆D15～D18三端集成稳压器IC9，D9，C24～C27组成正12伏直流稳压电源，IC9选用型号LM7812。
由全波整流硅堆D19～D22，三端集成稳压器IC10，D10，C28～C31组成负12伏直流稳压电源，IC10选用型号为LM7912，图6中的1，6，0，2，4号引线分别与前述各电路图中相对应的引线号相连接。
图7是电机小车供电电源结构图，它由电源开关SW3，电源变压器T4，指示灯ZD3，全波整流硅堆D23～D26，可控硅SCR，电机换向开关SW4，D31，C32～C36，R45～R46所组成的直流电机供电电路，全波整流硅堆D27～D30，R47～R49，稳压管D32，晶体管BG2，脉冲变压器T5组成电机调速电路，BG2选用型号BT33，R47选用精密多圈电位器，并设置在仪器面板上，操作中很方便地实现电机的调速，电源开关SW3及换向开关SW4也置于仪器面板上，以便传感器往返运行的操作。
本实用新型已实施制造数套仪器在某些油气田管子站试用，获得较令人满意的效果。
权利要求1.一种钢管电磁探伤仪，其特征是具有电磁传感器、前置运算放大电路、滤波检波电路，伤裂信号放大电路、正负信号放大整形电路、声光报警电路和记录仪，所述电磁传感器由铝合金或铝材制做圆盘线圈骨架，在圆盘骨架内层绕制伤裂信号检测线圈，外层绕制励磁线圈，两线圈形成同心圆结构，所述电磁传感器的检测信号输出端接前置运算放大电路的输入端，前置运算放大电路的输出端经滤波检波电路与伤裂信号放大电路的输入端相连，记录仪的信号输入端和正负信号放大整形电路的输入端同接伤裂信号放大电路的输出端，正负信号放大整形电路的输出端接声光报警电路的电源控制端。
专利摘要钢管电磁探伤仪,其电磁传感器由铝合金或铝材制做圆盘线圈骨架,在圆盘骨架内层绕制伤裂信号检测线圈,外层绕制励磁线圈,两线圈形成同心圆结构,电磁传感器的检测信号输出端接前置运算放大电路的输入端,前置运算放大电路的输出端经滤波检波电路与伤裂信号放大电路的输入端相连,记录仪的信号输入端和正负信号放大整形电路的输入端同接伤裂信号放大电路的输出端,正负信号放大整形电路的输出端接声光报警电路的电源控制端。
文档编号G01N27/82GK2289240SQ96233039
公开日1998年8月26日 申请日期1996年4月29日 优先权日1996年4月29日
发明者梅盼和 申请人:梅盼和