专利名称：具有倾斜的磁化器的管线检查工具的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种检测管道、管路和管线中的异常的检查工具，尤其是指一 种采用漏磁通量检测技术的在线检查工具。
背景技术：
许多安装好的管线可使用漏磁通量(MFL)技术来检查，主要用于识别金属损失异 常的目的。漏磁通量已显现出当金属损失异常的主轴和场角变化时以可预测的方式响应于 管线的壁中的异常。实验和建模结果两者已用于确认此作用，其也在文献中广泛描述。部分由于数据采集、数据存储和磁路设计强加的限制，大多数在线检查工具已采 用轴向定向磁化器(参见例如史监夫(Schempf)等人的第6，820，653号美国专利)。然而， 当前的轴向场磁化器设计使得极端窄的轴向特征的识别和量化较困难，或在某些情况下不 可能。对于这些特征类别，在圆周或横向方向上使用磁场的解决方案在过去的十年中已由 管线检查提供者在市场上销售且投入使用。然而，由于物理学的约束，这些横向磁通量检查 (TFI)工具的性能和准确性大体上小于用于一般金属损失异常的轴向场工具的性能和准确 性。另外，这些TFI工具通常需要至少两个磁化器组合件以便实现充足的覆盖，从而 使得将这些并入现存的轴向MFL工具中不切实际或较困难。对于可能具有极端窄的金属损失特征或某些类别的缝焊异常的那些管线，标准轴 向场工具并不提供充足的检测和量化能力。在这些情况下，对于基于MFL的工具，使用TFI 工具执行初始或补充的调查。虽然TFI工具可以检测极端窄的异常和某些缝焊异常，但其 也检测管线中通常发现的所有其余的体积金属损失特征，从而使识别目标性异常类别的过 程复杂化。最早的TFI布置中的一者在克劳奇(Crouch)等人的第3，483，466号美国专利中 描述。Crouch揭示了一对彼此垂直布置的电磁体，其中例如磁力计或探查线圈等检测器定 位于磁体的每一侧上。除了使用永久磁体和霍尔装置(hall device)型传感器以外，Crouch 的布置仍然是大多数现代实施方案的基础。另外，一些设计涉及分段或个别的离散磁体，其 在大多数情况下保持横向或圆周场方向。举例来说，维尔斯(Wiers)等人的第3，786，684 号美国专利揭示以相对于管轴倾斜的阵列的形式布置的个别磁体，其中每一阵列的场与其 它阵列的场垂直。然而，此布置将场限于每一个别磁体的磁极之间的区段和区域。此外， Wiers型实施方案所需的短磁极间距减少了磁路的长度，进而促使工具经受速率效应，且还 遮蔽焊缝、凹口或其它异常处的数据质量、使其失真或降级。其它设计涉及精密复杂的几何形状、多个磁化器区段以及精密机械布置，例如经设计以引起磁化器区段的盘旋或螺旋运动的螺旋驱动器、齿轮和轮。举例来说，韦尼克 (Wernicke)的第5，565，633号美国专利揭示一种机械上复杂的装置，其用于与具有两个或 两个以上磁路的磁化器区段和大量感测单元一起使用。在一个实施例中，磁块以螺旋定位 的平行磁极来布置。在另一实施例中，磁块为轴向移位的扭绞磁极对。两个实施例均需要 机械上引起的旋转，以便实现内部管面的完全覆盖。类似于Wernicke，拉马特(Ramuat)的 第6，100, 684号美国专利揭示大体上横向场磁化布置，其涉及多个磁化器区段和一复杂轮 布置以引起区段的螺旋运动且实现管壁的重叠或完全覆盖。汤普森(Thompson)等人的第 7，548，059号美国专利包含两个滑块(磁极)，其并入有固定磁体，所述磁体以紧密间隔成 对布置以产生围绕管呈螺旋形的标称横向场。此工具(其包含多种移动部件，例如支撑钢 筋束、滑轮和弹簧)需要许多增加的复杂性，以便足够灵活以适应管线中的弯曲。此外，此 布置中的磁体在两个平行磁极之间引起场，从而在个别离散磁块的磁极之间形成单个闭合 回路。类似于Thompson等人，现有技术中使用的磁体描述为块，其中不参考用于磁块的 易适应或顺应的上部表面。针对磁路使用刚性接触布置因为在凹口处或沿着焊缝和管线内 可能存在的其它故障(upset)在磁场路径中引入气隙或可变磁阻区域而使数 据质量降级。 对于某些类别的特征，在周围场中产生的干扰遮蔽由于所关注特征而存在的通量泄漏信号 或另外使其失真。凹口和焊缝区域内存在的任何磁异常由于其在这些区域内的存在而具有 较大的重要性，且因此表示其中数据质量较关键的区域。另外，现有技术需要使用与管壁表面呈紧密接触布置的大量磁极或表面。此布置 可导致磁化器组合件经历对运动的极端高的摩擦力或阻力，进而抑制或防止其在需要较低 摩擦的应用中的使用。

发明内容
针对现有技术中可导致磁化器组合件经历对运动的极端高的摩擦力或阻力，进而 抑制或防止其在需要较低摩擦的应用中的使用的问题，本发明提供一种具有倾斜的磁化器 的管线检查工具。本发明的技术方案是这样实现的一种管线检查工具，包括磁化器组合件，其具有圆柱形工具主体、至少两个径向圆盘和围绕所述圆柱形主 体的外部表面布置的偶数数目“η”个磁极；所述偶数数目“η”个磁极中的每一磁极在所述至少两个径向圆盘之间延伸，且与 所述偶数数目“η”个磁极中的任何邻近磁极间隔约360° /n的距离；所述偶数数目“η”个磁极中的每一所述磁极经旋转以使得所述磁极的第二端相对 于所述磁极的第一端偏移预定量“ α ”。优选地，该管线检查工具进一步包括所述预定旋转量α是有效地用于提供覆盖位于与所述圆柱形工具主体相对处的 管的圆柱形内壁表面的磁场的旋转量。优选地，该管线检查工具进一步包括所述预定旋转量有效地用于产生相对于所述圆柱形工具主体的所述中心纵轴倾斜的磁场。优选地，该管线检查工具进一步包括所述磁场从每一所述磁极发射且在相反方向上行进而到达邻近的磁极。优选地，该管 线检查工具进一步包括所述预定旋转量α在30°到150°的范围内。优选地，该管线检查工具进一步包括所述偶数数目“η”个磁极中的每一磁极具有相同的预定旋转量α。优选地，该管线检查工具进一步包括所述偶数数目“η”个磁极中的至少一个磁极包含顺应的上部表面。其中，所述顺应的上部表面包含刷子状表面。优选地，该管线检查工具进一步包括围绕所述圆柱形工具主体布置且在所述偶数数目“η”个磁极中的邻近对磁极之间 的磁通量传感器的阵列。优选地，该管线检查工具进一步包括所述磁通量传感器的阵列以螺旋形布置而布置。优选地，该管线检查工具，进一步包括所述磁通量传感器的阵列的第一端越过含有所述阵列的第二端的线延伸距离 “ Δ ”。本发明的管线检查工具能够提供内部管壁表面的完全覆盖而无需机械上复杂的 结构；产生检测轴向定向、圆周定向和体积特征的场；产生来自特征的类似响应而无论所 述特征是轴向还是圆周定向的；消除或减少速率效应以及焊缝、凹口和其它故障处的信号 遮蔽、中断和失真；导航管线障碍、弯曲和缩减；以及允许在单遍中完成管线调查。以上的概述与接下来的实施例，皆是为了进一步说明本发明的技术手段与达成功 效，然所叙述的实施例与图式仅提供参考说明用，并非用来对本发明加以限制者。


图1是根据本发明实施例的横向定向磁化器设计的等距视图，磁场的方向相对于 管的纵轴为圆周或横向的；图2是根据本发明实施例的利用螺旋磁极设计的倾斜磁化器组合件的等距视图， 磁极旋转或呈螺旋形约30°，且包含柔性或顺应的上部表面；图3是根据本发明实施例的倾斜磁化器组合件的另一实例的视图，其中磁极旋转 约 60° ；图4是根据本发明实施例的倾斜磁化器组合件的又一实例的视图，其中磁极旋转 约 90° ；图5是根据本发明实施例的倾斜磁化器组合件的再一实例的视图，其中磁极旋转 约 120° ；图6是根据本发明实施例的倾斜磁化器组合件的又一实例的视图，其中磁极旋转 约 150° ；图7是根据本发明实施例的倾斜磁化器组合件的另一实例的端视图，说明呈螺旋形或旋转的磁极的两个末端之间的关系，其中，磁极旋转约135°，每一磁极的顺应的上部 表面包含硬毛或刷子型表面；图8根据本发明实施例的来自倾斜磁化器布置的场结果示意图，方向相对于管的 纵轴为对角或倾斜的；图9是根据本发明实施例的倾斜磁化器组合件的视图，包含从磁化器的一端到另 一端安装的螺旋传感器阵列，从而提供内部管壁表面的完全覆盖且并入有一定程度的重叠 以适应可能发生的任何工具旋转； 图10是封闭于管区段中的图8的倾斜磁化器组合件的视图；图11是包含倾斜磁化器组合件、轴向磁化器和变形感测区段的在线检查工具的 视图。
具体实施例方式针对相关技术中的问题，需要一种MFL工具，其提供内部管壁表面的完全覆盖而 无需机械上复杂的结构；产生检测轴向定向、圆周定向和体积特征的场；产生来自特征的 类似响应而无论所述特征是轴向还是圆周定向的；消除或减少速率效应以及焊缝、凹口和 其它故障处的信号遮蔽、中断和失真；导航管线障碍、弯曲和缩减；以及允许在单遍中完成
管线调查。根据本发明制作的管线检查工具包含磁化器组合件，其具有圆柱形工具主体、至 少两个径向圆盘和围绕所述圆柱形工具主体的外部表面布置的偶数数目“η”个磁极。优选 在磁体与管的内壁表面之间具有例如刷子状表面等顺应的上部表面的每一磁极延伸位于 两个径向圆盘之间的圆柱形主体的长度。邻近磁极之间的间距约360° /η，“η”为所采用 的磁极的数目。磁通量路径从磁极辐射，在相反方向上分叉且以类似方式返回到相对的磁 极。一种管线检查工具具有偶数数目“η”个螺旋磁极，其等距间隔开且跨越所述工具 的长度。优选具有顺应的上部表面的每一磁极围绕所述工具主体旋转或呈螺旋形，使得每 一磁极的第二端相对于所述同一磁极的第一端偏移预定量“ α ”。应用于所述磁极中的每一 者的所述旋转量α产生相对于所述工具主体(且因此，管)的中心纵轴倾斜的磁场，以及 覆盖所述管的内壁表面的360°的磁场。磁通量传感器的螺旋形阵列可围绕所述工具主体 布置且在邻近对的磁极之间大体上等距。所述工具检测轴向定向、圆周定向和体积异常，且 允许单遍检查。磁极围绕圆柱形工具主体旋转或呈螺旋形，使得每一磁极的第二端相对于同一磁 极的第一端偏移预定量“ α ”。施加于磁极中的每一者的旋转量α产生相对于工具主体(且 因此，管)的中心纵轴倾斜的磁场。可从30°到150°变动的旋转量α优选为有效地用于 产生覆盖位于与工具主体相对处的管的内壁表面的360°的磁场的旋转量。磁通量传感器的螺旋形阵列可围绕圆柱形工具主体布置且在邻近对的磁极之间 大体上等距。优选地，提供传感器阵列中的一定程度的重叠，其中磁通量传感器阵列的第一 端越过含有阵列的第二端的线延伸距离“ Δ ”。本发明的一目的是提供一种漏磁通量(MFL)工具，其响应于能够产生漏磁通量信 号的广范围的异常。本发明的另一目的是提供一种MFL工具，其能够使用单个磁化器对内部管壁进行360°覆盖而无需多个磁化器区段、磁化器或者传感器或区段之间的相对运动 以实现标称轴向定向特征的检测。本发明的另一目的是提供一种MFL工具，其能够结合超 声、电磁声换能器或磁致伸缩检测方法来检测体积型金属损失特征。本发明的又一目的是 提供一种MFL工具，其产生磁场，所述磁场产生来自轴向定向或横向定向特征的大体上类 似的响应以及产生来自体积型金属损失特征的可检测的响应。本发明的再一目的是提供一 种MFL工具，其消除或减少对焊缝、凹口和其它故障处的通量泄漏信号的机械运动影响。本 发明的再一目的是提供一种MFL工具，其检测且量化极端窄的轴向类别的异常，其中此做 法结合现存的轴向场磁化器的附加益处提供了金属损失异常量化的较大总体准确性。本发 明的另一目的是最小化并入到MFL工具中的移动部件和组合件的数目。本发明的再一目的 是提供一种供MFL工具压缩以便通过管中的障碍、弯曲和缩减的构件。本发明的另一目的 是提供单个工具，其中管线调查可在单遍中完成，从而减少管线操作者和检查人员两者进 行现场操作、数据处置、数据分析和最终报告产生所需的努力的量。现在将通过参考图式和图式中说明的以下组件来描述根据本发明制作的漏磁通 量(MFL)工具的优选实施例10在线检查工具51 刷子20 MFL工具/倾斜磁化器61磁极
21圆柱形工具主体63 61的第一端23 21的第一端65 61的第二端25 21的第二端67 61的纵向中心线27 21的纵轴69顺应的上部表面31 径向圆盘71 刷子40 磁路80 磁场41磁极81场80的磁通量路径43 41的第一端90传感器阵列45 41的第二端91 90的第一端47 41的纵向中心线93 90的第二端49顺应的上部表面100轴向磁化器110变形感测区段首先参看图1，北磁极41和南磁极61在圆柱形工具主体21上彼此相对约180° 布置，使得每一磁极41、61的相应纵向中心线47、67平行于圆柱形工具主体21的纵向中心 线27 (且因此平行于正在检查的管的中心纵轴)。虽然磁极41、61与现有技术实施方案不 同之处在于例如每一磁体41、61沿着圆柱形主体21的整个长度延伸，但其如此处说明的轴 向定向是现有技术实施方案的典型。以此方式布置，磁极41、61产生相对于管壁的圆周或 横向磁场，如磁通量路径81所说明，且需要多个磁化器区段来提供管的内壁表面的完全覆
至
ΓΤΠ ο现在参看图2到图6，根据本发明的倾斜磁化器组合件20包含磁路40，磁路40具 有在圆柱形工具主体21上彼此相对约180°布置的两个螺旋磁极41、61。每一磁极41、61 在圆柱形工具主体21的第一端23与第二端25之间延伸。也可采用额外对的螺旋磁极41、 61，其中每一螺旋磁极41或61在圆柱形工具主体21的末端23、25之间延伸，且与其邻近且相对的磁极61、41间隔360° /η( “η”等于所采用的磁极41、61的数目)。磁极41、61优选分别具有柔性或顺应的上部表面49、69，其帮助减少摩擦力且最小化在倾斜磁化器组 合件20行进穿过管内部时的速率效应。顺应的上部表面49、69还允许磁化器组合件20压 缩足够的量以便通过管中的可能原本使磁化器组合件20损坏或使其通过减慢或阻碍其通 过的内部障碍、弯曲和缩减。磁极41、61的旋转量取决于实现内部管壁表面的完全覆盖所需的旋转量。经过从 图2到图6的序列，磁极41、61各自以递增量旋转或呈螺旋形，以实现约150度的标称旋转 (如图6说明)。在旋转时，磁极41、61的第二端45、65相对于其相应的第一端43、63偏移 预定角度或量α (见图7)。由于此旋转量α的缘故，每一螺旋磁极41、61的相应纵向中心 线47、67不平行于圆柱形工具主体21的中心纵轴27。磁极41、61的旋转还帮助引起在磁 化器组合件20行进通过管内部时其充足量的旋转。图8说明从倾斜磁化器组合件20的原型产生的磁场80，所述倾斜磁化器组合件 20类似于图2到图6的旋转序列中所示的磁化器组合件20而配置。不同于现有技术在线 检查工具，磁场80的方向相对于管轴成对角或倾斜而不是圆周或横向的，其中磁通量路径 81从磁极41、61发射且在相反方向上行进而到达对应的磁极61、41。每一磁极41、61产生 的磁通量线81经导引到最少阻力的路径进入管壁且朝向邻近的磁极61、41。磁场80的 角大体上垂直于由磁极41、61形成的通量线81且大体上平行于形成磁极41、61之间的最 短距离的线。磁极41、61的范围内的磁场80的方向可相对于管轴从30度到60度变动。现在参看图9和图10，倾斜磁化器组合件20可包含螺旋传感器阵列90，其大体上 等距位于旋转磁极41、61之间且经布置以提供管P的内壁表面W的完全覆盖且适应可能发 生的磁化器组合件20的任何旋转。传感器阵列90中的个别传感器可为用于检测漏磁通量 信号的技术中众所周知的种类。传感器阵列90优选在圆柱形主体21的第一端23与第二 端25之间(且因此在磁极41、61的相应末端43、45与63、65之间)延伸，且并入有传感器 阵列90的第一端91与第二端93之间的某一程度的重叠Δ。磁极41、61的顺应的上部表 面49、69(见例如图6)可呈刷子51、71的形式。径向圆盘31Α和31Β帮助在磁化器组合件 20在不同压力下在管P中向前移动时推进磁化器组合件20且使其居中。倾斜磁化器组合件20的最终配置可包含数据集的任何当前组合，包含(但不限 于)变形、高级轴向MFL、内部/外部区分、用于测绘的惯性数据和低级或残余MFL。在并入 有倾斜磁化器组合件20的在线检查工具10的一个优选实施例中，工具10包含轴向磁化器 100和变形感测区段110 (见图11)。虽然已用某一程度的特定性描述了包含倾斜磁化器和螺旋传感器阵列的MFL工 具，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下可在组件的构造和布置的细节方面做出许多 改变。根据本发明的MFL工具因此仅由所附权利要求书的范围限制，所述范围包含其每一 元素有资格具有的均等物的完全范围。以上所述为本发明的具体实施例的说明与图式，而本发明的所有权利范围应以下 述的申请专利范围为准，任何在本发明的领域中熟悉该项技艺者，可轻易思及的变化或修 饰皆可涵盖在本案所界定的专利范围之内。
权利要求
一种管线检查工具，其特征在于，包括磁化器组合件，其具有圆柱形工具主体、至少两个径向圆盘和围绕所述圆柱形主体的外部表面布置的偶数数目“n”个磁极；所述偶数数目“n”个磁极中的每一磁极在所述至少两个径向圆盘之间延伸，且与所述偶数数目“n”个磁极中的任何邻近磁极间隔约360°/n的距离；所述偶数数目“n”个磁极中的每一所述磁极经旋转以使得所述磁极的第二端相对于所述磁极的第一端偏移预定量“α”。
2.根据权利要求1所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述预定旋转量α是有效地用于提供覆盖位于与所述圆柱形工具主体相对处的管的 圆柱形内壁表面的磁场的旋转量。
3.根据权利要求1所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述预定旋转量有效地用于产生相对于所述圆柱形工具主体的所述中心纵轴倾斜的 磁场。
4.根据权利要求3所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述磁场从每一所述磁极发射且在相反方向上行进而到达邻近的磁极。
5.根据权利要求1所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述预定旋转量α在30°到150°的范围内。
6.根据权利要求1所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述偶数数目“η”个磁极中的每一磁极具有相同的预定旋转量α。
7.根据权利要求1所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述偶数数目“η”个磁极中的至少一个磁极包含顺应的上部表面。
8.根据权利要求7所述的管线检查工具，其特征在于，所述顺应的上部表面包含刷子 状表面。
9.根据权利要求1所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括围绕所述圆柱形工具主体布置且在所述偶数数目“η”个磁极中的邻近对磁极之间的磁 通量传感器的阵列。
10.根据权利要求9所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述磁通量传感器的阵列以螺旋形布置而布置。
11.根据权利要求10所述的管线检查工具，其特征在于，进一步包括所述磁通量传感器的阵列的第一端越过含有所述阵列的第二端的线延伸距离“ δ ”。
全文摘要
本发明提供一种具有倾斜的磁化器的管线检查工具，包括磁化器组合件，其具有圆柱形工具主体、至少两个径向圆盘和围绕圆柱形主体的外部表面布置的偶数数目“n”个磁极；偶数数目“n”个磁极中的每一磁极在至少两个径向圆盘之间延伸，且与偶数数目“n”个磁极中的任何邻近磁极间隔约360°/n的距离；偶数数目“n”个磁极中的每一磁极经旋转以使得磁极的第二端相对于磁极的第一端偏移预定量“α”。能够提供内部管壁表面的完全覆盖而无需机械上复杂的结构；产生检测轴向定向、圆周定向和体积特征的场；消除或减少速率效应以及焊缝、凹口和其它故障处的信号遮蔽、中断和失真；导航管线障碍、弯曲和缩减；以及允许在单遍中完成管线调查。
文档编号G01N27/83GK101936950SQ20101021480
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月25日 优先权日2009年6月26日
发明者图德·巴尔克, 詹姆士·辛梅克, 马克·葛瑞高伊尔 申请人:Tdw达拉威公司