CN106289587A - 钻具内螺纹应力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钻具内螺纹应力检测装置，该装置包括：锥筒、检测机构和传动机构；其中，所述检测机构包括多个检测器，所述检测器包括沿所述锥筒周向设置的导杆和设置在导杆上的金属磁记忆传感器；所述传动机构与所述导杆连接以驱动所述金属磁记忆传感器沿所述钻具内螺纹的锥面母线运动。本发明提供的钻具内螺纹应力检测装置，通过设置多个与钻具内螺纹锥面相配合的金属磁记忆传感器沿钻具内螺纹的锥面母线运动，从而获取精确的钻具内螺纹的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具内螺纹的缺陷和应力集中区进行诊断，为钻具的早期探伤提供准确的依据。

Description

钻具内螺纹应力检测装置

技术领域

本发明涉及无损检测技术，尤其涉及一种钻具内螺纹应力检测装置。

背景技术

钻具是石油开采过程中的一种重要器材，根据多年来钻具损伤经验，钻具最容易损伤的部位为钻杆螺纹接头部分。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，这主要缘于钻具接头内螺纹的几何结构及螺纹根部的应力集中效应。在钻具内外螺纹连接后，外螺纹小端截面积突然由内外两螺纹截面变为只有内螺纹截面，此处将产生应力集中，成为疲劳断裂的薄弱环节，使之在复合交变应力作用下容易发生疲劳裂纹，同时内螺纹根部受到泥浆的涡流冲击和腐蚀，容易形成尖锐切口，加深应力集中发生破坏，在循环应力和腐蚀介质双重作用下疲劳裂纹扩展直至断裂。

钻具接头内螺纹断裂失效，严重降低工作效率，造成巨大的经济损失。所以，对钻杆螺纹进行早期的无损诊断，能够有效减少此类事故的发生。由于螺纹部位几何结构相对复杂，壁厚较大，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。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(微观缺陷和应力集中区)上对钻具技术状态做出早期评定。

磁记忆检测技术为铁磁性金属工件的疲劳和蠕变产生的微裂纹检测提供了解决思路，其基本原理是：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记忆效应，其表面上的磁场分布与工件应力载荷有一定的对应关系，可以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。所谓磁记忆效应，就是铁磁性金属工件在加工和运行时，由于受载荷和地磁场共同作用，在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关，铁磁性金属工件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置。当处于地磁场环境中的铁磁性金属工件受到外部载荷作用时，在应力集中区域会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，使此处铁磁性金属工件的磁导率最小，在铁磁性金属工件表面形成漏磁场，该漏磁场强度的切向分量具有最大值，而法向分量符号改变并具有零值。因此，基于铁磁性金属工件的磁记忆效应的基本原理，通过记录垂直于金属构件表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况，可以对构件的应力集中程度以及是否存在微观缺陷进行评价。然而，只有获取精确的铁磁性金属工件表面的磁记忆信号，才能真正为铁磁性金属工件的技术状态的早期评定提供准确的依据。

发明内容

本发明提供一种钻具内螺纹应力检测装置，主要用于获取精确的钻具内螺纹表面的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具内螺纹的缺陷和应力集中区进行诊断，为钻具的早期探伤提供准确的依据。

本发明提供的钻具内螺纹应力检测装置，包括：锥筒、检测机构和传动机构；其中，所述检测机构包括多个检测器，所述检测器包括沿所述锥筒周向设置的导杆和设置在导杆上的金属磁记忆传感器；所述传动机构与所述导杆连接以驱动所述金属磁记忆传感器沿所述钻具内螺纹的锥面母线运动。

进一步的，上述锥筒由锥底和筒体组成，所述锥底沿周向均匀开设多个通孔，所述通孔中设置有直线轴承，所述筒体上沿所述锥筒母线开设有与所述通孔相对应的多个导向槽，所述导杆设置在所述导向槽中并与所述直线轴承轴连接。

进一步的，上述传动机构包括：丝杠电机、弓簧座和多个弓簧片；所述丝杠电机固定在所述锥筒的底面中心，所述丝杠电机的丝杠贯穿所述锥筒的轴线，所述丝杠电机的丝杠螺母安装于所述丝杠上，所述丝杠螺母与所述弓簧座固定连接，所述多个弓簧片沿所述弓簧座周向均匀设置，所述多个弓簧片分别与所述多个检测器一一对应连接。

进一步的，上述检测器还包括：用于放置所述金属磁记忆传感器的传感器盒，所述传感器盒由连接部和安装部组成；所述连接部位于靠近所述锥筒轴线一侧，用于连接所述弓簧片和所述导杆；所述安装部的表面具有与钻具内螺纹相配合的弧度，所述安装部的表面开设有多个用于安装所述金属磁记忆传感器的凹槽。

进一步的，上述锥筒的底面中心开设有沉槽，所述丝杠电机安装于所述沉槽中。

进一步的，上述检测装置还包括保护罩，所述保护罩罩设在所述锥筒底面上，用于保护所述丝杆电机。

进一步的，上述弓簧座沿周向均匀开设多个限位槽，用于安装和限位所述弓簧片。

进一步的，上述传动机构还包括端盖，用于安装固定所述弓簧座。

进一步的，上述检测装置还包括手柄，所述手柄设置于所述锥筒上。

进一步的，上述手柄上设置有控制按钮，所述控制按钮与所述传动机构连接。

基于上述，本发明提供的钻具内螺纹应力检测装置，通过设置多个与钻具内螺纹锥面相配合的金属磁记忆传感器沿钻具内螺纹的锥面母线运动，从而获取精确的钻具内螺纹的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具内螺纹的缺陷和应力集中区进行诊断，为钻具的早期探伤提供准确的依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地说明，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置结构示意图；

图2为图1的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置的应用示意图；

图4为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置中的锥筒结构示意图；

图5为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置中直线轴承、检测器和传动机构连接示意图。

附图标记说明：

A：检测装置； B：钻杆内螺纹套；

1：锥筒； 10：锥底；

101：通孔； 102：直线轴承；

103：沉槽； 12：筒体；

121：导向槽； 2：检测机构；

20：检测器； 201：金属磁记忆传感器；

202：导杆； 203：传感器盒；

2031：连接部； 2032：安装部；

204：挡片； 3：传动机构；

30：丝杆电机； 301：丝杠；

302：丝杠螺母； 32：弓簧座；

321：限位槽； 34：弓簧片；

36：端盖； 4：保护罩；

5：手柄； 50：控制按钮；

52：固定孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置结构示意图， 图2为图1的剖面结构示意图。如图1和图2所示，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置A包括：锥筒1、检测机构2和传动机构3。

具体的，检测机构2可以包括多个检测器20，可以理解的是，检测器20的个数以可以沿锥筒周向均匀紧凑排列为最佳。

其中，检测器20可以包括沿所述锥筒1周向设置的导杆202和设置在导杆202上的金属磁记忆传感器201。所述传动机构3与所述导杆202连接以驱动所述金属磁记忆传感器201沿钻具内螺纹的锥面母线运动。金属磁记忆传感器201用于获取钻具内螺纹表面的磁记忆信号。

图3为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置的应用示意图，下面将结合图3对本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置的检测过程做示意性说明。如图3所示，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置A，沿锥筒周向布设多个金属磁记忆传感器，由于钻杆内螺纹套B的内壁呈锥形面，从而使金属磁记忆传感器可以与钻杆内螺纹套B的内壁相配合，并沿钻具内螺纹锥面母线移动，对钻杆内螺纹进行较为完整的检测。

在实际应用中，可以通过金属磁记忆传感器采集被测钻杆内螺纹套的螺纹内壁的磁记忆信号，然后根据金属磁记忆检测的原理对所采集的磁记忆信号进行分析，找出钻杆内螺纹套的应力集中区，从而实现对钻杆内螺纹套的受损部位和受损程度进行检测。而且，在检测前，无需对钻杆内螺纹套进行充磁和清理，使用方便。

需要说明的是，在实际应用中，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置A的结构尺寸，可以依据待检测钻具的结构尺寸而定。例如，针对不同型号的钻杆，钻杆内螺纹套B的粗细以及螺纹套内壁锥形面的倾斜度不同，相应的，所使用的检测装置的锥筒的尺寸也会不同，钻杆内螺纹套B的螺纹长度不同，相应的，所使用的检测装置的导杆长度(或所述金属磁记忆传感器可移动的范围)也不同。

在实际应用中，还可以在上述的检测装置上设置一手柄5。优选的，手柄5可以设置在锥筒1上。示例性的，手柄5可以制作为一弯折结构，手柄5与锥筒1的固定端具有与锥筒1的锥面相配合的弧度。进一步的，可以在手柄的弯折处开设与固定端垂直的固定孔52，然后通过螺母将手柄固定在锥筒上。

进一步的，还可以在手柄5上设置一控制按钮50，并将控制按钮50与传动机构3连接，用于控制传动机构3。具体的，控制按钮50可以与传动机构3的动力装置电连接。

示例性的，控制按钮50具体可以包括上位、零位和下位三个档位。当控制按钮50拨至上位时，传动机构3将驱动所述金属磁记忆传感器201向靠近锥筒1一侧运动；当控制按钮50拨至下位时，传动机构3将驱动所述金属磁记忆传感器201向远离锥筒1一侧运动；当控制按钮50拨至零位时，传动机构3将停止驱动所述金属磁记忆传感器201运动。

作为一种较佳的实施方式，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置中的锥筒可以采用图4所示的结构，用于布设检测机构2。图4为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置中的锥筒结构示意图，如图4所示，锥筒1由锥底10和筒体12组成。其中，锥底10沿周向均匀开设多个通孔101，通孔101中设置有直线轴承102，筒体12上沿锥筒1的母线方向开设有与通孔101相对应的多个导向槽121；可以将导杆202设置在所述导向槽121中并与所述直线轴承102轴连接。优选的，通孔101的轴线可以与其对应的导向槽平行。

作为一种优选的实施方式，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置中的传动机构3的动力装置可以采用步进电机，具体的，可以使用丝杠电机。如图2所示，传动机构3具体可以包括丝杠电机30、弓簧座32和弓簧片34，其中弓簧片34的数量为多个，且弓簧片34的数量与检测器的数量相对应。

进一步的，作为一种可选的实施方式，丝杠电机30可以固定在锥筒1的底面中心，丝杠电机30的丝杠301贯穿锥筒1的轴线，丝杠电机30的丝杠螺母302安装于丝杠301上，丝杠螺母302与弓簧座32固定连接，弓簧片34沿弓簧座32周向均匀设置，弓簧片34分别与检测器20一一对应连接。

优选的，可以在锥筒1的底面中心开设一沉槽103，将丝杠电机30安装于沉槽103中。

作为一种可选的实施方式，还可以在锥筒1的底面上罩设一保护罩4，用于保护丝杆电机30。进一步，也可以将整个检测装置的连接线路，例如控制按钮50与丝杠电机30之间的电线布设在保护罩中。

具体的，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置A中的锥筒1、检测机构2和传动机构3的连接方式可以参照图5所示的连接结构，其中图5为本发明实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置中直线轴承、检测器和传动机构连接示意图。如图5所示，检测器20的导杆202的一端与直线轴承102轴连接，导杆202的另一端与弓簧片34连接，金属磁记忆传感器201设置于导杆202上。

进一步的，作为一种优选的实施方式，可以在检测器20的导杆202上设置一用于放置金属磁记忆传感器201的传感器盒203。具体的，传感器盒203可以分为连接部2031和安装部2032两部分，示例性的，连接部2031和安装部2032可以组成一倒“凸”形。其中，连接部2031位于靠近锥筒1的轴线一侧，用于连接导杆202和弓簧片34，安装部2032用于安装金属磁记忆传感器201。

进一步的，安装部2032的表面具有与钻具内螺纹相配合的弧度，可以在安装部2032的表面开设有多个用于安装所述金属磁记忆传感器201的凹槽，从而可以保证检测机构与螺纹内壁完全贴合，进一步确保所获取的钻具内螺纹的磁记忆信号的精确性。

优选的，可以在安装部2032的表面开设两个与导杆202的长度方向相平行的凹槽，将金属磁记忆传感器201布设在凹槽中，可以确保在检测过程中金属磁记忆传感器201沿钻具内螺纹的内壁周向均匀紧凑排列，对钻杆内螺纹进行较为完整的检测。

进一步的，作为一种可选的实施方式，可以在导杆202与传感器盒203相连接的一端开设螺纹孔，并在传感器盒203的连接部2031上开设第一固定槽，通过固定螺钉将导杆固定在连接部的第一固定槽中。可以理解，第一固定槽的宽度等于导杆端面的直径。

作为另一种可选的实施方式，导杆202与传感器盒203可以通过挡片204实现连接，示例性的，可以在导杆202上与传感器盒203相连接的一端沿周向开设一凹槽，将挡片204卡接在凹槽中。可以理解，该凹槽的厚度等于挡片204的厚度，挡片204的形状与传感器盒203的截面相同。进一步的，可以通过固定螺钉将挡片固定在传感器盒上。

进一步的，作为一种可选的实施方式，可以在弓簧片34上与传感器盒相连接的一端开设螺纹孔，并在传感器盒203的连接部2031上开设第二固定槽，通过固定螺钉将弓簧片固定在连接部的第二固定槽中。可以理解，第二固定槽的宽度等于弓簧片的宽度。

进一步的，作为一种可选的实施方式，还可以将弓簧片34与弓簧座32相连接的一端设置为弯折结构，用于将弓簧片倒挂在弓簧座上。进一步的，还可以在弓簧座上沿周向均匀开设用于安装和限位所述弓簧片的限位槽321。显而易见的，限位槽321的宽度等于弓簧片34的宽度。另外，还可以在弓簧座外设置一端盖36，用于安装固定所述弓簧座。可以理解，弓簧片的弯折结构可以卡装在所述弓簧座32与端盖36之间。优选的，弓簧座32可以为一圆柱体，且其与端盖连接一端开设有螺纹孔，通过螺钉将弓簧座与端盖连接。

在实际应用中，本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置，通过丝杠电机转动，其丝杠会带动丝杠螺母沿丝杠长度方向运动，进而带动弓簧座沿丝杠长度方向运动，即沿锥筒的轴向运动。弓簧座推动弓簧片，进而推动金属磁记忆传感器，同时安装金属磁记忆传感器的传感器盒在导杆的引导作用下，紧贴钻杆螺纹内壁并沿螺纹锥面的母线方向运动，从而采集钻杆内螺纹的磁记忆信号。通过弓簧片来推动检测器运动，不仅能够使整个检测机构相对稳定的沿螺纹锥面运动，而且能够使整个所述检测装置保持一定的张力，还具有一定的缓冲作用。

值得一提的是，上述检测装置中锥筒的锥底部位应大于待检测钻杆内螺纹的管径，丝杠电机的行程要大于所需要检测内螺纹的长度。

本实施例提供的钻具内螺纹应力检测装置，通过设置多个与钻具内螺纹锥面相配合的金属磁记忆传感器沿钻具内螺纹的锥面母线运动，从而获取精确的钻具内螺纹的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具内螺纹的缺陷和应力集中区进行诊断，为钻具的早期探伤提供准确的依据。同时，本发明提供的钻具内螺纹应力检测装置尺寸小、质量轻、结构简单，能够灵活移动，在检测过程中，操作方便。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种钻具内螺纹应力检测装置，其特征在于，包括：锥筒、检测机构和传动机构；其中，

所述检测机构包括多个检测器，所述检测器包括沿所述锥筒周向设置的导杆和设置在导杆上的金属磁记忆传感器；

所述传动机构与所述导杆连接以驱动所述金属磁记忆传感器沿所述钻具内螺纹的锥面母线运动；

所述锥筒由锥底和筒体组成；所述锥底沿周向均匀开设多个通孔，所述通孔中设置有直线轴承；所述筒体上沿所述锥筒母线开设有与所述通孔相对应的多个导向槽；所述通孔的轴线与所述通孔相对应的导向槽平行；

所述导杆设置在所述导向槽中并与所述直线轴承轴连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传动机构包括：丝杠电机、弓簧座和多个弓簧片；

所述丝杠电机固定在所述锥筒的底面中心，所述丝杠电机的丝杠贯穿所述锥筒的轴线，所述丝杠电机的丝杠螺母安装于所述丝杠上，所述丝杠螺母与所述弓簧座固定连接，所述多个弓簧片沿所述弓簧座周向均匀设置，所述多个弓簧片分别与所述多个检测器一一对应连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述检测器还包括：用于放置所述金属磁记忆传感器的传感器盒，所述传感器盒由连接部和安装部组成；

所述连接部位于靠近所述锥筒轴线一侧，用于连接所述导杆和所述弓簧片；

所述安装部的表面具有与钻具内螺纹相配合的弧度，所述安装部的表面开设有多个用于安装所述金属磁记忆传感器的凹槽。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述锥筒的底面中心开设有沉槽，所述丝杠电机安装于所述沉槽中。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括保护罩，所述保护罩罩设在所述锥筒底面上，用于保护所述丝杆电机。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述弓簧座沿周向均匀开设多个限位槽，用于安装和限位所述弓簧片。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述传动机构还包括端盖，用于安装固定所述弓簧座。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括手柄，所述手柄设置于所述锥筒上。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述手柄上设置有控制按钮，所述控制按钮与所述传动机构连接。