CN101498686B - 一种钻具螺纹磁性检测仪 - Google Patents

Abstract

便携式钻具螺纹磁性检测仪，应用于石油钻具螺纹区无损探伤检测。特征是：钻具外螺纹磁性检测传感器包括外圈、内圈、曲柄、检测探头组件和辅助探头组件。内圈与外圈之间能相对转动。检测探头组件和两个辅助探头组件。一个检测探头组件和两个辅助探头组件分别固定在曲柄的一端。检测探头组件包括支架、螺纹骨架、磁感应元件。在支架的槽底部固定有压缩弹簧。螺纹骨架的下表面是螺纹齿形。在螺纹骨架上有磁感应元件。效果是：该检测仪器能够直观地检测出螺纹缺陷，而且能进行定量分析。该检测仪器的灵敏度比传统检测方法灵敏度高，使用方便、可靠。

Description

一种钻具螺纹磁性检测仪

技术领域

本发明属于石油钻具螺纹区域缺陷的定量无损探伤检测技术领域，属于管材磁性无损探伤。

技术背景

钻具是石油钻井作业传递扭矩的关键部件。钻具包括钻杆、钻铤、加重钻杆、钻具稳定器和钻杆转换接头等。钻具之间通过螺纹进行连接。由于钻具在井下的受力情况复杂，不可避免地会在螺纹部位产生疲劳裂纹，严重的会导致钻具断裂，断裂处以下的钻柱落入井底，造成钻井无法进行。必须采取打捞措施把落入井底的钻柱打捞上来。钻具断裂给钻井带来巨大的经济损失。为了预防钻具断裂，钻具螺纹检测探伤是有效的方法。

目前，钻具螺纹探伤的方法，主要采用磁粉检测方法和超声波检测方法。

目前磁粉检测方法检测钻具螺纹存在以下几个方面的限制：

(1)磁粉检测只方便外螺纹的检测，对内螺纹的检测观察难度大，而且只能检测到螺纹表面和近表面的缺陷，不能检测埋藏较深的内部的缺陷，可探测的内部缺陷埋藏深度一般在0～2mm范围内。

(2)采用磁粉检测对螺纹表面清洁度要求较高，检测前需要对被检测的螺纹进行清洗。工序繁琐，检测效率低，劳动强度比较大。

(3)磁粉检测不能定量显示缺陷的深度。

(4)磁粉检测的结果是依靠检测人员用眼睛观察磁痕，凭借技术经验判断和解释缺陷存在的状况。检测结果受人为因素影响大，容易产生误判或漏检。

总之，由于受钻具螺纹形状的影响，利用目前的磁粉检测仪，检测钻具螺纹根部裂纹的灵敏度比较低，只能检测到比较大的裂纹或能够对声波进行反射的裂纹；探头在钻具端面扫查的过程啮合不良；检测结果受人为因素的影响比较大。目前的超声波检测方法能够比较准确地判定裂纹的位置，但是对钻具螺纹根部裂纹的深度进行量化评估存在一定的困难。

中国专利公告号CN1588035(申请号200410060913.9)，提供了一种“管杆螺纹缺陷检测传感器”。包括探头，其特征在于：内套的左端装有磁化线圈，磁化线圈的磁化位置偏离被检测的螺纹区域并且位于靠近螺纹的杆体部分；内套的中部套有可沿其外表面滑行的探头架，探头采用可浮动式安装在探头架上，且沿圆周方向均匀、对称分布，内套的中部开有与探头个数相同、位置对应的探头导向槽，各探头伸入对应的探头导向槽内，在探头架的带动下，各探头在相应的探头导向槽内滑动，各探头内均装有磁感应元件，两个对称分布的磁感应元件之间两两做差分组合，并输出检测信号；内套的右端内安装有导磁加长管，导磁加长管位于被测螺纹的端部；导磁加长管的中部开有法兰导向槽，法兰位于导磁加长管内，法兰的臂通过延长臂与探头架相连，直线电机的轴与法兰的轴心相连。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式钻具螺纹磁性检测仪，利用内管与外管之间的移动，实现检测探头组件7和辅助探头组件9紧靠钻具螺纹表面；采用磁化部分和磁检测部分两个相对独立的单元，两个相对独立的单元在空间上和运动上相对独立，实现钻具螺纹区的缺陷快速、准确地定量分析，能够直观地检测出螺纹缺陷。克服管杆螺纹缺陷检测传感器体积大不便携带到现场监测；并克服磁粉检测仪检测钻具螺纹深度部位时，检测数据量化评估存在困难的不足。

本发明采用的技术方案是：便携式钻具螺纹磁性检测仪，主要由钻具螺纹磁化器、钻具螺纹磁性检测传感器、计算机采集处理系统组成。

钻具螺纹磁化器采用的是直流励磁线圈。直流励磁线圈励磁方法是管杆漏磁检测中一种最常用的磁化方法。《无损检测》杂志2006年第28卷第12期，作者：周奇、康宜华、武新军、丁劲锋发表了名为《直流励磁线圈励磁的有限元分析计算》。在文章中采用有限元方法分析了直流励磁线圈的基本特性，计算出了线圈尺寸、安匝数和增加聚磁板后对管道有效磁化能力的影响，对比分析了多种不同磁化方式的磁化效果，并绘出了各自磁力线的分布图，从而总结出了缺陷漏磁场的切向分量与励磁强度和提离值之间的关系。重点说明了聚磁技术在励磁器设计中的重要性和有效性。分析结果为管杆漏磁检测中直流线圈磁化器的设计提供了有力的依据。直流励磁线圈不属于本发明的内容，本领域普通技术人员能完成直流励磁线圈。采用直流励磁线圈，在钻具接头端部对被检测的螺纹区进行磁化，在螺纹区形成轴向磁场；耦合于钻具螺纹表面的钻具螺纹磁性检测传感器对磁化后的螺纹区域轴向磁场进行周向扫描，获取漏磁场信号并传输到信号采集处理电路以及相应的信号分析系统。

钻具螺纹磁性检测传感器的磁感应元件有导线连接计算机采集处理系统，能将采集的电磁信号保存、处理，并显示到屏幕上。信号采集和调理电路以及计算机分析处理系统不属于本发明内容，信号采集和计算机处理本领域普通技术人员能完成。

钻具螺纹磁性检测传感器，包括外圈、内圈、曲柄、检测探头组件和辅助探头组件。外圈的形状是圆筒状，内圈的形状是圆筒状，内圈套在外圈内，内圈与外圈之间能相对转动。在外圈的壁上有窗口，在窗口内有弹簧，弹簧的一端固定在外圈上，弹簧的另一端固定在内圈上。

钻具螺纹磁性检测传感器包括一个检测探头组件和两个辅助探头组件。一个检测探头组件和两个辅助探头组件分别固定在三个曲柄的一端。三个曲柄的另一端分别有两个孔。两个轴销分别固定在外圈和内圈的一个端面上。两个轴销插入曲柄另一端的孔中。当内圈与外圈产生相对转动时，两个轴销的相对位置发生改变，两个轴销使曲柄产生摆动，三个曲柄同步摆动。能使检测探头组件和辅助探头组件紧紧压在被测的螺纹表面。通过弹簧，使三个曲柄带动的检测探头组件和两个辅助探头组件同时对被检测钻具螺纹产生径向弹性压力，并且使得检测探头组件和两个辅助探头组件保持同心。

两个辅助探头组件的结构与检测探头组件基本相同，不同点是：由于两个辅助探头组件的作用是协助磁感应元件夹紧外螺纹，所以在内螺纹骨架的磁感应元件安装孔内没有磁感应元件。

检测探头组件(如图5所示，)包括支架、螺纹骨架、磁感应元件、压缩弹簧、圆柱销和盖板。支架为槽形，在支架的槽底部固定有压缩弹簧。压缩弹簧的另一端固定在螺纹骨架的上表面。螺纹骨架的下表面是螺纹齿形。在螺纹骨架上有磁感应元件安装孔，磁感应元件安装孔在螺纹齿的牙顶。磁感应元件安装孔内有磁感应元件。在支架的槽两侧对称有条形导向槽，条形导向槽内有圆柱销，圆柱销的一端与螺纹骨架的侧壁固定，圆柱销的另一端固定有盖板，盖板在槽形支架的外侧。在压缩弹簧的推动下，螺纹骨架在槽形支架内滑动时，圆柱销随之在槽形支架的条形导向槽内滑动，实现螺纹骨架和磁感应元件径向微小浮动。安装在曲柄上的一个检测探头组件和两个辅助探头组件，检测时紧贴钻具外螺纹的表面，这样既可以使检测传感器能够适应不同规格钻具螺纹的变化，使其具有通用性，又能保证检测探头运动的平稳性。盖板能防尘防油。

为了适应检测钻具内螺纹或检测钻具内螺纹的需要，所述的螺纹骨架分为内螺纹骨架或外螺纹骨架。

为了使内圈与外圈产生相对转动时，能减少曲柄的摆动阻力，所述的曲柄另一端的两个孔，其中一个孔是长条形孔。一个轴销能在长条形孔内滑动，克服内圈与外圈相对转动时，两个轴销相对位置发生改变发生的阻力，

钻具螺纹磁性检测传感器的检测原理：如图1或图2所示，在检测的过程中，磁化线圈套在钻具偏离螺纹的区域，对钻具螺纹区进行磁化，使其剩磁达到20高斯以上。由于钻具螺纹产生的漏磁场信号是有规律的类似正弦信号，而且该磁化方法对钻具螺纹根部的缺陷比对螺纹本身敏感，由螺纹产生的信号相对比较平缓。计算机分析处理系统对螺纹的外形结构及螺纹产生的漏磁信号进行简化，只保留了缺陷信号所产生的漏磁场信号。

钻具螺纹磁性检测传感器沿着钻具螺纹的根部对钻具螺纹表面进行扫描。钻具螺纹磁性检测传感器能沿不同的方向对钻具螺纹表面进行扫描，对于相同的裂纹，轴向扫描方式检测到的裂纹缺陷信号只有一个波峰，波峰的大小显示了裂纹的深度，周向扫描方式检测到的缺陷信号可以有交流信号和直流信号两种显示方法，交流信号有一个波峰(裂纹的起点)、一个波谷(裂纹的终点)，波峰波谷的高度显示裂纹的深度，波峰波谷之间的长度显示裂纹的长度；直流信号中的上升沿显示裂纹的起始位置，下降沿显示裂纹的结束位置，直流信号的高度显示裂纹的深度。

为了方简便携带，所述的钻具螺纹磁性检测传感器与旋转扫描驱动装置连接。旋转扫描驱动装置包括驱动轴、导电滑环、直流减速电机、壳体和三位拨动开关。圆柱状壳体内固定有直流减速电机。在壳体上固定有三位拨动开关，控制直流减速电机正传、反转或停止。在直流减速电机的输出端有驱动轴。驱动轴上固定有导电滑环，检测信号通过导电滑环能传输到后续的信号采集和调理电路，实现磁感应元件检测信号传输。驱动轴与钻具螺纹磁性检测传感器的外圈连接，直流减速电机通过驱动轴带动钻具外螺纹磁性检测传感器旋转并进行检测。

便携式钻具螺纹磁性检测仪的使用方法：

分立式磁性检测法分为连续磁性法和剩磁磁性检测法，连续磁性检测法是指在检测的同时对被测构件进行磁化，边磁化边检测；剩磁检测法是指在检测前，首先对被测区域进行磁化，使被测区域有大于20高斯左右的剩磁，然后进行检测，即先磁化，后检测。

检测钻具外螺纹时，三爪式检测探头套在钻具的外螺纹区域，定好初始位置，然后控制检测探头的旋转驱动装置，使检测探头沿着螺纹的旋转方向前进或后退，实现外螺纹的检测。

检测钻具内螺纹时，相应的内螺纹检测探头塞入钻具内螺纹，定好初始位置，然后控制检测探头的旋转驱动装置，使内螺纹检测检测探头沿着内螺纹的旋转方向前进或后退，实现内螺纹的检测。

本发明的有益效果：便携式钻具螺纹磁性检测仪能够直观地检测出螺纹缺陷，而且能进行定量分析。该检测仪器的灵敏度比传统检测方法灵敏度高，使用方便、可靠。便携式钻具螺纹磁性检测仪主要具有以下特征：

钻具螺纹磁化器对钻具螺纹区域进行磁化，使被测螺纹区域有大于20高斯左右的剩磁，检测传感器检测到钻具螺纹区的缺陷信号，经过相应的信号采集、处理，实现缺陷类型、位置、大小等缺陷信息的自动识别。可以磁化和检测同时进行的连续法磁性检测方法，也可以采用先磁化，后检测的剩磁检测方法。

钻具螺纹磁性检测传感器的检测探头组件径向浮动的双重调节，既可以使检测传感器能够适应不同规格钻具螺纹的变化，使其具有通用性，又能保证检测探头运动的平稳性。

检测探头组件的磁感应元件分布于骨架螺纹的牙顶，从而使其尽可能地接近被测螺纹的根部，减小提离效应对缺陷信号的影响，最大限度的提高了检测的灵敏度。

检测探头组件沿着螺纹旋转的方向进行周向扫描，消除了螺纹对磁场信号的影响，检测覆盖率可以达到100％，可以防止漏检。根据磁感应元件的分布和检测信号的对应关系，可以实现缺陷的定位。

便携式钻具螺纹磁性检测仪是便携式检测仪器，体积小、重量轻，具有高度的集成性，可以适用于钻具螺纹的现场检测。

附图说明

图1为钻具外螺纹磁性检测原理示意图；

图2为钻具内螺纹磁性检测原理示意图；

图3为钻具外螺纹磁性检测传感器2的横剖面结构示意图；

图4为检测探头组件7的结构剖面示意图；

图5为图4的左视剖面图；

图6为旋转驱动装置结构示意图；

图7为便携式钻具螺纹磁性检测仪的整体结构示意图。

图中，1.钻具螺纹磁化器，2.钻具螺纹磁性检测传感器，3.钻具螺纹区，4.外圈，5.曲柄，6.弹簧，7.检测探头组件，8.内圈，9.辅助探头组件，10.轴销，11.支架，12.螺纹骨架，13.磁感应元件，14.压缩弹簧，15.圆柱销，16.盖板，17.驱动轴，18.导电滑环，19.直流减速电机，20.壳体，21.三位拨动开关。

具体实施方式

实施例1：以一个能检测5-1/2″的外螺纹缺陷的便携式钻具螺纹磁性检测仪为例，对本发明进一步说明。

参阅图7。便携式钻具螺纹磁性检测仪主要由钻具螺纹磁化器1、钻具螺纹磁性检测传感器2、计算机采集处理系统组成。钻具螺纹磁化器1采用的是直流励磁线圈。钻具螺纹磁化器1的内径为200毫米，长度为200毫米，匝数为1000。检测时套在钻具接头上。

钻具螺纹磁性检测传感器2的磁感应元件13有导线连接计算机采集处理系统，能将采集的电磁信号保存、处理，并显示到屏幕上。

参阅图3。钻具螺纹磁性检测传感器2，包括一个外圈4、一个内圈8、三个曲柄5、一个检测探头组件7和两个辅助探头组件9。外圈4的形状是圆筒状，外圈4的内径为170毫米，长度为300毫米。内圈8的形状是圆筒状，内圈8的外径为170毫米，长度为10毫米。内圈8套在外圈4内滑动配合，内圈8与外圈4之间能相对转动。在外圈4的中部壁上有窗口，在窗口内固定有弹簧6，弹簧6的一端固定在外圈4上，弹簧6的另一端固定在内圈8上。弹簧6是拉伸弹簧。

钻具螺纹磁性检测传感器2包括一个检测探头组件7和两个辅助探头组件9。一个检测探头组件7和两个辅助探头组件9分别固定在三个曲柄5的一端。曲柄5采用厚度为2.5毫米的钢板制成。三个曲柄5的另一端分别有两个孔，孔径5毫米。两个轴销10分别固定在外圈4和内圈8的一个端面上。轴销10的直径5毫米。两个轴销10插入曲柄5另一端的孔中。所述的曲柄5另一端的两个孔，其中有一个孔是长条形孔，长条形孔的宽度5毫米，长度12毫米。

参阅图4。检测探头组件7包括支架11、内螺纹骨架12、磁感应元件13、压缩弹簧14、圆柱销和盖板16。支架11为槽形，支架11的内部宽度为25毫米，长度50毫米。在支架11的槽底部固定有两个压缩弹簧14。压缩弹荒14的另一端固定在内螺纹骨架12的上表面。内螺纹骨架12的宽度20毫米，长度45毫米。内螺纹骨架12的下表面是内螺纹齿形，能与被检测的外螺纹匹配。在内螺纹骨架12上有8片磁感应元件13的安装孔，安装孔排成一排。磁感应元件13的安装孔在螺纹齿的牙顶。磁感应元件13每个安装孔内有一个磁感应元件13。参阅图5。在支架11的槽两侧对称有条形导向槽，条形导向槽内有圆柱销15，圆柱销15的一端与内螺纹骨架12的侧壁固定，圆柱销15的另一端固定有盖板16，盖板16在槽形支架11的外侧。在压缩弹簧14的推动下，内螺纹骨架12在槽形支架11内滑动时，圆柱销15随之在槽形支架11的条形导向槽内滑动。曲柄5与支架11通过轴销连接。

参阅图3。两个辅助探头组件9的结构与检测探头组件7基本相同，不同点是在内螺纹骨架12的磁感应元件13安装孔内没有磁感应元件13。两个辅助探头组件9起到扶正作用。

参阅图6。在钻具外螺纹磁性检测传感器2与旋转扫描驱动装置连接。旋转扫描驱动装置包括一个驱动轴17、一个导电滑环18、一个直流减速电机19、一个壳体20和一个三位拨动开关21。圆柱状壳体20内固定有直流减速电机19。在壳体20上固定有三位拨动开关21。在直流减速电机19的输出端有驱动轴17。驱动轴17上固定有导电滑环18，检测信号通过导电滑环18能传输到后续的信号采集和调理电路。驱动轴17与钻具外螺纹磁性检测传感器2的外圈4连接。

Claims (4)

1.一种便携式钻具螺纹磁性检测仪，主要由钻具螺纹磁化器(1)、钻具螺纹磁性检测传感器(2)、计算机采集处理系统组成，钻具螺纹磁化器(1)采用的是直流励磁线圈，钻具螺纹磁性检测传感器(2)的磁感应元件(13)有导线连接计算机采集处理系统，能将采集的电磁信号保存、处理，并显示到屏幕上，其特征是：

钻具螺纹磁性检测传感器(2)，包括外圈(4)、内圈(8)、曲柄(5)、检测探头组件(7)和辅助探头组件(9)，外圈(4)的形状是圆筒状，内圈(8)的形状是圆筒状，内圈(8)套在外圈(4)内，内圈(8)与外圈(4)之间能相对转动，在外圈(4)的壁上有窗口，在窗口内有弹簧(6)，弹簧(6)的一端固定在外圈(4)上，弹簧(6)的另一端固定在内圈(8)上；

钻具螺纹磁性检测传感器(2)包括一个检测探头组件(7)和两个辅助探头组件(9)，一个检测探头组件(7)和两个辅助探头组件(9)分别固定在三个曲柄(5)的一端，三个曲柄(5)的另一端分别有两个孔，两个轴销(10)分别固定在外圈(4)和内圈(8)的一个端面上，两个轴销(10)插入曲柄(5)另一端的孔中；

检测探头组件(7)包括支架(11)、螺纹骨架(12)、磁感应元件(13)、压缩弹簧(14)、圆柱销和盖板(16)，支架(11)为槽形，在支架(11)的槽底部固定有压缩弹簧(14)，压缩弹簧(14)的另一端固定在螺纹骨架(12)的上表面，螺纹骨架(12)的下表面是螺纹齿形，在螺纹骨架(12)上有磁感应元件(13)安装孔，磁感应元件(13)安装孔在螺纹齿的牙顶，磁感应元件(13)安装孔内有磁感应元件(13)，在支架(11)的槽两侧对称有条形导向槽，条形导向槽内有圆柱销(15)，圆柱销(15)的一端与螺纹骨架(12)的侧壁固定，圆柱销(15)的另一端固定有盖板(16)，盖板(16)在槽形支架(11)的外侧，在压缩弹簧(14)的推动下，螺纹骨架(12)在槽形支架(11)内滑动时，圆柱销(15)随之在槽形支架(11)的条形导向槽内滑动；

两个辅助探头组件(9)的结构与检测探头组件(7)基本相同，不同点是在螺纹骨架(12)的磁感应元件(13)安装孔内没有磁感应元件(13)。

2.根据权利要求1所述的便携式钻具螺纹磁性检测仪，其特征是：所述的螺纹骨架(12)分为内螺纹骨架或外螺纹骨架。

3.根据权利要求1所述的便携式钻具螺纹磁性检测仪，其特征是：所述的曲柄(5)另一端的两个孔，其中一个孔是长条形孔。

4.根据权利要求1、2、或3所述的便携式钻具螺纹磁性检测仪，其特征是：所述的钻具螺纹磁性检测传感器(2)与旋转扫描驱动装置连接，旋转扫描驱动装置包括驱动轴(17)、导电滑环(18)、直流减速电机(19)、壳体(20)和三位拨动开关(21)，圆柱状壳体(20)内固定有直流减速电机(19)，在壳体(20)上固定有三位拨动开关(21)，在直流减速电机(19)的输出端有驱动轴(17)，驱动轴(17)上固定有导电滑环(18)，检测信号通过导电滑环(18)能传输到后续的信号采集和调理电路，驱动轴(17)与钻具螺纹磁性检测传感器(2)的外圈(4)连接。

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