CN103884457B - 基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置，该基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置包括定心结构组件和旋转检测组件，定心结构组件能够使旋转检测组件的轴线与被测钻具接头的螺纹孔的轴线重合，进而使旋转检测组件中的磁记忆传感器在贴近被测的内螺纹表面旋转测量时保持提离值恒定，所以该钻具内螺纹旋转式检测装置具有检测精度高、操作简单方便等特点。

Description

基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置

技术领域

本发明涉及一种无损检测装置，特别是一种用于检测石油钻具内螺纹应力的集中及损伤状况的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置。

背景技术

目前，在石油开采领域钻具失效的一种主要表现是在连接螺纹部位断裂破坏，对于钻具接头内螺纹的断裂裂纹常发生在最后啮合部位的螺扣处。接头内螺纹部位成为钻具最容易发生破坏的薄弱环节缘于其几何结构及螺纹根部的应力集中效应，使之在复合交变应力作用下容易萌生疲劳裂纹，并在循环应力和腐蚀介质作用下扩展，直至断裂。近年来，油田钻具接头内螺纹部位的疲劳断裂问题非常突出，钻具接头内螺纹断裂失效对钻井生产造成非常恶劣的影响，并带来巨大的经济损失。

由于内螺纹部位的几何结构相对复杂、壁厚较大，所以现有的常规无损检测技术手段在早期诊断钻具接头内螺纹部位应力集中异常和微裂纹方面存在明显不足。已有的实践证明，现有的无损探伤技术如涡流、超声、X射线等，对于检测已出现的宏观缺陷较为有效，但无法从疲劳损伤的根源，如微观缺陷和应力集中区上对钻具技术状态做出早期评定，预防钻具的意外损伤。

磁记忆检测技术的基本原理是：铁磁性金属工件由于疲劳和蠕变产生的微裂纹会在缺陷处出现应力集中，由于铁磁性金属工件存在磁机械效应，故其表面上的磁场分布与工件应力载荷有一定的对应关系，因此可通过检测工件表面的磁场分布状况间接地对工件的缺陷和应力集中区进行诊断。

磁记忆检测技术作为一种能够同时检测应力集中区及其组织中的损伤、各种宏观缺陷的唯一有效的无损检测技术，已经在国内外引起了高度重视，特别是在石油化工管道、发电站、轨道交通设备等领域得到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益和社会效益，但将磁记忆检测技术应用于钻井工具的内螺纹应力及损伤状况的检测还处于空白阶段。

发明内容

为了解决现有技术中没有将磁记忆检测技术应用于钻井工具的内螺纹应力及损伤状况检测的技术问题，本发明提供了一种基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置，该基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置包括定心结构组件和旋转检测组件，定心结构组件能够使旋转检测组件的轴线与被测钻具接头的螺纹孔的轴线重合，进而使旋转检测组件中的磁记忆传感器在贴近被测的内螺纹表面旋转测量时保持提离值恒定，所以该钻具内螺纹旋转式检测装置具有检测精度高、操作简单方便等特点。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置，所述基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置包括：定心结构组件和与定心结构组件连接的旋转检测组件；定心结构组件包括筒形的主架，主架的一端与筒形的空心杆的一端固定连接，主架和空心杆同轴，主架和空心杆内套接有圆柱形的锁紧杆，锁紧杆能够以空心杆的轴线为轴相对于空心杆转动，沿着锁紧杆的周向均匀分布有多个连杆机构，主架内设置有游动块，游动块套接于锁紧杆外并且游动块能够沿着锁紧杆的轴线方向移动，主架的侧壁设置有多个用于容纳连杆机构的条形通孔，每个连杆机构均包括第一双连杆机构和第二双连杆机构，第一双连杆机构含有第一长连杆和第一短连杆，第二双连杆机构含有第二长连杆和第二短连杆，第一双连杆机构的一端和第二双连杆机构一端与主架转动连接，第一双连杆机构的另一端和第二双连杆机构另一端与游动块转动连接，第一长连杆和第一短连杆的连接部位到锁紧杆的轴线的距离等于第二长连杆和第二短连杆的连接部位到锁紧杆的轴线的距离，第一长连杆和第二长连杆能够相互交叉设置；旋转检测组件包括套设于空心杆外锥形的旋转锥筒，旋转锥筒的顶端朝向主架，旋转锥筒和空心杆同轴，旋转锥筒的侧壁设置有用于容纳磁记忆传感器的传感器盒，传感器盒的上表面相对于锁紧杆的轴线倾斜设置，并且传感器盒的上表面的斜度与被测钻具的内螺纹段的锥度相同，旋转锥筒和传感器盒能够以空心杆的轴线为轴相对于空心杆转动。

定心结构组件含有三个连杆机构，三个条形通孔的位置分别与三个连杆机构的位置一一对应，沿着锁紧杆的周向，游动块的外壁均匀分布有三个突起，三个突起分别设置于三个条形通孔内，在每个连杆机构中，第一长连杆的另一端和第二短连杆的另一端通过第四转轴与游动块的突起转动连接，并且第二转轴的轴线和第三转轴的轴线相互平行。

位于主架内的锁紧杆设置有外螺纹，游动块的内壁设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

旋转锥筒内套接有导电滑环，导电滑环邻近于旋转锥筒的底端，并且导电滑环套接于空心杆外，导电滑环的内圈与空心杆固定连接，导电滑环的外圈与旋转锥筒固定连接，导电滑环的外圈能够相对于导电滑环的内圈以空心杆的轴线为轴转动。

空心杆的一端外表面设置有突起环，在导电滑环和突起环之间，沿着旋转锥筒的底端到旋转锥筒的顶端的方向，空心杆外套设有依次抵接的第一套筒、第一轴承、设置在旋转锥筒内壁的环形凸台、第二轴承、第二套筒，旋转锥筒通过第一轴承和第二轴承与空心杆转动连接。

旋转锥筒的外壁设置有长条形凹槽，所述长条形凹槽内设置有传感器盒，传感器盒通过两个摆杆与旋转锥筒连接，传感器盒、两个摆杆和旋转锥筒组成四边形机构，摆杆和旋转锥筒的铰接处设置有用于使传感器盒向旋转锥筒外转动的扭簧。

在传感器盒的外侧壁上，传感器盒与其中一个摆杆的铰接部位设有长条通孔，摆杆的铰链能够在长条通孔内沿长条通孔的长度方向滑动。

旋转锥筒的底端与传动齿轮固定连接，旋转锥筒与传动齿轮同轴，传动齿轮套设于空心杆外，所述基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置还包括用于驱动传动齿轮旋转的电机。

主架的另一端固定连接有封头，空心杆的另一端外设有用于转动锁紧杆的手柄。

本发明的有益效果是：

1、本发明依据磁记忆检测原理对钻具的内螺纹进行检测，可实现对内螺纹的应力集中及损伤的早期检测，为钻具的评级提供有力依据，避免钻具螺纹断裂造成灾难性的事故的发生。

2、本发明采用旋转式检测方法，可实现对内螺纹全周快速检测；并且检测用的传感器始终与内螺纹紧密贴合，保证了提离值的恒定，提高了检测精度。

3、本发明采用的定心机构不但结构简单，而且定心效果好、操作方便快捷、检测速度快。

4、本发明采用导电滑环作为导线转接装置避免了旋转检测过程中容易造成导线缠绕的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置作进一步详细的描述。

图1是本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置的立体示意图。

图2是本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置的主视图。

图3是本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置的右视图。

图4是图3中A-A力向的剖视图。

图5是定心结构组件的立体示意图。

图6是游动块的主视图。

图7是钻具接头的结构示意图。

其中1.定心结构组件，101.手柄，102.锁紧杆，103.空心杆，104.连杆机构，105.条形通孔，106.封头，107.游动块，108.主架，109.突起，111.第一长连杆，112.第二长连杆，113.第一短连杆，114.第二短连杆，115.第一转轴，116.第二转轴，117.第三转轴，118.第四转轴，119.突起环，2.旋转检测组件，201.防护罩，202.传动齿轮，203.连接盘，204.传感器盒，205.摆杆，206.扭簧，207.第一套筒，208.第一轴承，209.旋转锥筒，210.导电滑环，211.小齿轮，212.电机，213.第二轴承，214.第二套筒，215.长条通孔，3.钻具接头，31.直筒段，32.内螺纹段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置进行详细说明。一种基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置，所述基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置包括：定心结构组件1和与定心结构组件1连接的旋转检测组件2；定心结构组件1包括筒形的主架108，主架108的一端与筒形的空心杆103的一端固定连接，主架108和空心杆103同轴，主架108和空心杆103内套接有圆柱形的锁紧杆102，锁紧杆102能够以空心杆103的轴线为轴相对于空心杆103转动，沿着锁紧杆102的周向均匀分布有多个连杆机构104，主架108内设置有游动块107，游动块107套接于锁紧杆102外并且游动块107能够沿着锁紧杆102的轴线方向移动，主架108的侧壁设置有多个用于容纳连杆机构104的条形通孔105，每个连杆机构104均包括第一双连杆机构和第二双连杆机构，第一双连杆机构含有第一长连杆111和第一短连杆113，第二双连杆机构含有第二长连杆112和第二短连杆114，第一双连杆机构的一端和第二双连杆机构一端与主架108转动连接，第一双连杆机构的另一端和第二双连杆机构另一端与游动块107转动连接，第一长连杆111和第一短连杆113的连接部位到锁紧杆102的轴线的距离等于第二长连杆112和第二短连杆114的连接部位到锁紧杆102的轴线的距离，第一长连杆111和第二长连杆112能够相互交叉设置；旋转检测组件2包括套设于空心杆103外锥形的旋转锥筒209，旋转锥筒209的顶端朝向主架108，旋转锥筒209和空心杆103同轴，旋转锥筒209的侧壁设置有用于容纳磁记忆传感器的传感器盒204，传感器盒204的上表面相对于锁紧杆102的轴线倾斜设置，并且传感器盒204的上表面的斜度与被测钻具的内螺纹段32的锥度相同，旋转锥筒209和传感器盒204能够以空心杆103的轴线为轴相对于空心杆103转动，如图1、图2、图3、图4所示。

具体地，第一长连杆111和第二长连杆112的长度相同，第一短连杆113和第二短连杆114的长度相同，第一短连杆113的一端和第二长连杆112的一端通过第一转轴115与主架108转动连接，第一短连杆113的另一端通过第二转轴116与第一长连杆111的一端转动连接，第二长连杆112的另一端通过第三转轴117与第二短连杆114的一端转动连接，第一长连杆111的另一端和第二短连杆114的另一端通过第四转轴118与游动块107转动连接，第二转轴116的轴线和第三转轴117的轴线到锁紧杆102的轴线的距离相等，如图2、图4所示。

一般钻具接头的结构如图7所示，钻具接头3包括内径处处相同的直筒段31和内径为锥形的内螺纹段32，使用本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置测量内螺纹段32时，将图2中所示的钻具内螺纹旋转式检测装置从左向右插入图7中的钻具接头3，这时连杆机构10对应插入直筒段31，每个连杆机构的大小和结构均相同，第一长连杆111和第二长连杆112的长度相同，第一短连杆113和第二短连杆114的长度相同，并且第二转轴116的轴线和第三转轴117的轴线到锁紧杆102的轴线的距离相等，即第一长连杆111和第一短连杆113的连接处到锁紧杆102的最大距离等于第二长连杆112和第二短连杆114的连接处到锁紧杆102的最大距离，第一长连杆111和第一短连杆113的连接处抵接直筒段31的内壁，第二长连杆112和第二短连杆114的连接处也抵接直筒段31的内壁，这样钻具接头3的轴线就与定心结构组件1的轴线重合，进而保证旋转锥筒209的轴线也与钻具接头3的轴线重合，当传感器盒204以旋转锥筒209的轴线为轴转动时，传感器盒204的上表面紧贴着内螺纹段32旋转，传感器盒204中的磁记忆传感器与内螺纹表面之间的提离值保持恒定，即磁记忆传感器与内螺纹表面之间的距离保持不变，所以该钻具内螺纹旋转式检测装置能够对内螺纹的应力集中及损伤的进行检测，并且具有检测精度高、操作简单方便等特点。

为了使定心结构组件1中锁紧杆102的轴线与钻具接头3的轴线更好的重合。定心结构组件1含有三个连杆机构104，三个条形通孔105的位置分别与三个连杆机构104的位置一一对应，沿着锁紧杆102的周向，游动块107的外壁均匀分布有三个突起109，三个突起109分别设置于三个条形通孔105内，在每个连杆机构104中，第一长连杆111的另一端和第二短连杆114的另一端通过第四转轴118与游动块107的突起109转动连接，并且第二转轴116的轴线和第三转轴117的轴线相互平行。条形通孔105的形状与连杆机构104形状相匹配并且突起109设置于条形通孔105内，有利于避免连杆机构104沿周向移动，使游动块107只沿着锁紧杆102的轴线移动，如图5、图6所示。

游动块107的移动可以使连杆机构104处于张开状态或收紧状态，游动块107可以和锁紧杆102之间固定连接，或者，锁紧杆102位于主架108内的锁紧杆102设置有外螺纹，游动块107的内壁设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹，通过转动锁紧杆102便可以使游动块107沿着锁紧杆102的轴线移动，这样可方便调节连杆机构104的张开角度，以使定心结构组件1适应不同内径的直筒段31。

为了避免检测过程中由于旋转锥筒209的旋转造成导线的缠绕。旋转锥筒209内套接有导电滑环210，导电滑环210邻近于旋转锥筒209的底端，并且导电滑环210套接于空心杆103外，导电滑环210的内圈与空心杆103固定连接，导电滑环210的外圈与旋转锥筒209固定连接，导电滑环210的外圈能够相对于导电滑环210的内圈以空心杆103的轴线为轴转动。具体是导电滑环210的内圈通过顶丝与空心杆103固定，导电滑环210的外圈设有一突出板，旋转锥筒209的内壁设置有与所述突出板相匹配的凹槽，所述突出板插入所述凹槽能够实现周向固定。

空心杆103的一端外表面设置有突起环119，在导电滑环210和突起环119之间，沿着旋转锥筒209的底端到旋转锥筒209的顶端的方向，空心杆103外套设有依次抵接的第一套筒207、第一轴承208、设置在旋转锥筒209内壁的环形凸台、第二轴承213、第二套筒214，旋转锥筒209通过第一轴承208和第二轴承213与空心杆103转动连接。第一套筒207、第一轴承208、环形凸台、第二轴承213、第二套筒214依次抵接起限位作用，能够避免旋转锥筒209的轴向移动，使旋转锥筒209只能绕空心杆103旋转。

旋转锥筒209的外壁设置有长条形凹槽，所述长条形凹槽内设置有传感器盒204，传感器盒204通过两个摆杆205与旋转锥筒209连接，传感器盒204、两个摆杆和旋转锥筒209组成平行四边形机构，摆杆和旋转锥筒209的铰接处设置有用于使传感器盒204向旋转锥筒209外转动的扭簧206。即摆杆和旋转锥筒209的转动连接处设置有用于使传感器盒204向旋转锥筒209外转动的扭簧206。旋转锥筒209锥度为1：4，传感器盒204与旋转锥筒209的轴向角度和所述旋转锥筒锥度相同，这样设计是为了使传感器盒204在扭簧206的作用可以紧贴内螺纹段32的齿顶，提高测量精度。

在传感器盒204的外侧壁上，传感器盒204与其中一个摆杆205的铰接部位设有长条通孔215，摆杆205的铰链能够在长条通孔215内沿长条通孔215的长度方向滑动。即传感器盒204与其中一个摆杆205的转动连接部位设有长条通孔215，这样设计可以使传感器盒204与旋转锥筒209的轴向夹角能够改变，以适应其它锥度的内螺纹段32。传感器盒204底部分布有许多小孔，小孔内可封装磁记忆传感器，该磁记忆传感器可以检测内螺纹的应力集中情况。

旋转锥筒209的底端与传动齿轮202固定连接，旋转锥筒209与传动齿轮202同轴，传动齿轮202套设于空心杆103外，所述基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置还包括用于驱动传动齿轮202旋转的电机212。旋转锥筒209的底端通过连接盘203与传动齿轮202固定连接，电机212通过小齿轮211驱动传动齿轮202和旋转锥筒209旋转。电机212为伺服电机，所述伺服电机安装于防护罩201上。

另外，主架108的另一端固定连接有封头106，空心杆103的另一端外设有用于转动锁紧杆102的手柄101，手柄101与锁紧杆102固定连接，如图4所示。

本发明所述的基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置的使用方法如下：首先，转动手柄101，带动游动块107如图2中从左向右移动，实现连杆机构104向内收紧。然后，将图2中所示的钻具内螺纹旋转式检测装置从左向右插入图7中所示的钻具内孔之中，同时保证传感器盒204与内螺纹段32的齿顶充分接触。反方向转动手柄101，带动游动块107如图2中从右向左移动，实现连杆机构104向外张开，连杆机构的连接点支撑于直筒段31的内壁表面达到定心目的。控制伺服电机转动，经传动齿轮202减速后带动旋转锥筒209旋转，旋转锥筒209上安装的磁记忆传感器可实现对内螺纹段32的全周检测。最后，对采集到信号进行分析处理可得出内螺纹的应力集中区域和应力集中的程度情况，进而通过对应力情况的分析实现对钻具内螺纹损伤的早期诊断和预测，其对避免重大安全事故的发生具有较大的工程和实际应用意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。

Claims (9)

1.一种基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于，所述基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置包括：定心结构组件(1)和与定心结构组件(1)连接的旋转检测组件(2)；

定心结构组件(1)包括筒形的主架(108)，主架(108)的一端与空心杆(103)的一端固定连接，主架(108)和空心杆(103)同轴，主架(108)和空心杆(103)内套接有圆柱形的锁紧杆(102)，锁紧杆(102)能够以空心杆(103)的轴线为轴相对于空心杆(103)转动，沿着锁紧杆(102)的周向均匀分布有多个连杆机构(104)，主架(108)内设置有游动块(107)，游动块(107)套接于锁紧杆(102)外并且游动块(107)能够沿着锁紧杆(102)的轴线方向移动，主架(108)的侧壁设置有多个用于容纳连杆机构(104)的条形通孔(105)，每个连杆机构(104)均包括第一双连杆机构和第二双连杆机构，第一双连杆机构含有第一长连杆(111)和第一短连杆(113)，第二双连杆机构含有第二长连杆(112)和第二短连杆(114)，第一双连杆机构的一端和第二双连杆机构一端与主架(108)转动连接，第一双连杆机构的另一端和第二双连杆机构另一端与游动块(107)转动连接，第一长连杆(111)和第一短连杆(113)的连接部位到锁紧杆(102)的轴线的距离等于第二长连杆(112)和第二短连杆(114)的连接部位到锁紧杆(102)的轴线的距离，第一长连杆(111)和第二长连杆(112)能够相互交叉设置；

旋转检测组件(2)包括套设于空心杆(103)外的旋转锥筒(209)，旋转锥筒(209)的顶端朝向主架(108)，旋转锥筒(209)和空心杆(103)同轴，旋转锥筒(209)的侧壁设置有用于容纳磁记忆传感器的传感器盒(204)，传感器盒(204)的上表面相对于锁紧杆(102)的轴线倾斜设置，并且传感器盒(204)的上表面的斜度与被测钻具的内螺纹段(32)的锥度相同，旋转锥筒(209)和传感器盒(204)能够以空心杆(103)的轴线为轴相对于空心杆(103)转动。

2.根据权利要求1所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：定心结构组件(1)含有三个连杆机构(104)，三个条形通孔(105)的位置分别与三个连杆机构(104)的位置一一对应，沿着锁紧杆(102)的周向，游动块(107)的外壁均匀分布有三个突起(109)，三个突起(109)分别设置于三个条形通孔(105)内，在每个连杆机构(104)中，第一长连杆(111)的另一端和第二短连杆(114)的另一端通过第四转轴(118)与游动块(107)的突起(109)转动连接，并且第二转轴(116)的轴线和第三转轴(117)的轴线相互平行。

3.根据权利要求1所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：位于主架(108)内的锁紧杆(102)设置有外螺纹，游动块(107)的内壁设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹。

4.根据权利要求1所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：旋转锥筒(209)内套接有导电滑环(210)，导电滑环(210)邻近于旋转锥筒(209)的底端，并且导电滑环(210)套接于空心杆(103)外，导电滑环(210)的内圈与空心杆(103)固定连接，导电滑环(210)的外圈与旋转锥筒(209)固定连接，导电滑环(210)的外圈能够相对于导电滑环(210)的内圈以空心杆(103)的轴线为轴转动。

5.根据权利要求4所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：空心杆(103)的一端外表面设置有突起环(119)，在导电滑环(210)和突起环(119)之间，沿着旋转锥筒(209)的底端到旋转锥筒(209)的顶端的方向，空心杆(103)外套设有依次抵接的第一套筒(207)、第一轴承(208)、设置在旋转锥筒(209)内壁的环形凸台、第二轴承(213)、第二套筒(214)，旋转锥筒(209)通过第一轴承(208)和第二轴承(213)与空心杆(103)转动连接。

6.根据权利要求1所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：旋转锥筒(209)的外壁设置有长条形凹槽，所述长条形凹槽内设置有传感器盒(204)，传感器盒(204)通过两个摆杆(205)与旋转锥筒(209)连接，传感器盒(204)、两个摆杆和旋转锥筒(209)组成四边形机构，摆杆和旋转锥筒(209)的铰接处设置有用于使传感器盒(204)向旋转锥筒(209)外转动的扭簧(206)。

7.根据权利要求6所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：在传感器盒(204)的外侧壁上，传感器盒(204)与其中一个摆杆(205)的铰接部位设有长条通孔(215)，摆杆(205)的铰链能够在长条通孔(215)内沿长条通孔(215)的长度方向滑动。

8.根据权利要求1所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：旋转锥筒(209)的底端与传动齿轮(202)固定连接，旋转锥筒(209)与传动齿轮(202)同轴，传动齿轮(202)套设于空心杆(103)外，所述基于磁记忆效应的钻具内螺纹旋转式检测装置还包括用于驱动传动齿轮(202)旋转的电机(212)。

9.根据权利要求1所述的钻具内螺纹旋转式检测装置，其特征在于：主架(108)的另一端固定连接有封头(106)，空心杆(103)的另一端外设有用于转动锁紧杆(102)的手柄(101)。