CN106290555B - 钻具外螺纹应力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钻具外螺纹应力检测装置，该装置包括：锥盘、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盘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外螺纹的锥面母线运动。本发明提供的钻具外螺纹应力检测装置，通过设置多个与钻具外螺纹锥面相配合的金属磁记忆传感器沿钻具外螺纹的锥面母线运动，从而获取精确的钻具外螺纹的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具外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

钻具外螺纹应力检测装置

技术领域

本发明涉及无损检测技术，尤其涉及一种钻具外螺纹应力检测装置。

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。对于钻具接头外螺纹的断裂裂纹常发生在从台肩起第2个或第3个螺扣的根部，这主要缘于钻具接头外螺纹的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。

钻具接头外螺纹断裂失效，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外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，预防钻具的意外损伤。

常用的钻具外螺纹检测技术有磁粉检测法、超声波法和局部漏磁场检测法等。磁粉检测法工序繁琐，检测效率低，且难以定量裂纹的大小深度，检测结果受人为因素影响大，容易产生误检或漏检；超声波检测方法检测灵敏度比较低，受人为因素的影响比较大，并且很难对裂纹的深度进行量化评估；漏磁检测需要专门的磁化装置，检测后需要进行退磁处理。可见，现有的钻具外螺纹检测技术工序繁琐，检测效率低，检测结果不精确。

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。

发明内容

本发明提供一种钻具外螺纹应力检测装置，主要用于获取精确的钻具外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外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。

本发明提供的钻具外螺纹应力检测装置，包括：锥盘、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盘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外螺纹的锥面母线运动。

进一步的，上述锥盘沿周向均匀设有多个切面，所述切面上设置有直线轴承，所述导杆与所述直线轴承轴连接。

进一步的，上述传动机构包括：丝杠电机和拨盘；所述丝杠电机固定在所述锥盘的中心，所述拨盘位于所述锥盘中直径小的端面的正上方，所述丝杠电机的丝杠贯穿所述锥盘与所述拨盘的轴线，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拨盘固定连接，所述拨盘沿周向均匀设置多个连接槽，所述多个连接槽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金属磁记忆传感器盒，所述金属磁记忆传感器盒由连接部和安装部组成；所述连接部位于远离所述锥盘轴线一侧，用于连接所述导杆；所述安装部的表面具有与钻具外螺纹相配合的弧度，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，上述切面上还设置有限位导轨，所述限位导轨与所述金属磁记忆传感器盒滑动连接。

进一步的，上述导杆上远离所述金属磁记忆传感器盒一端沿所述导杆长度方向开设有两个通孔，所述导杆与所述连接槽通过穿设于所述通孔中的铆钉及固定销相连接。

进一步的，上述锥盘中心开设有沉槽，所述丝杠电机安装于所述沉槽中。

进一步的，上述传动机构还包括拨盘导轨，用于安装所述拨盘，所述拨盘导轨一端与所述锥盘固定连接。

进一步的，上述装置还包括尾盘，所述尾盘与所述拨盘导轨另一端固定连接。

进一步的，上述尾盘上设置有控制按钮，所述控制按钮与所述传动机构连接。

基于上述，本发明提供的钻具外螺纹应力检测装置，通过设置多个与钻具外螺纹锥面相配合的金属磁记忆传感器沿钻具外螺纹的锥面母线运动，从而获取精确的钻具外螺纹的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具外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外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外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外螺纹应力检测装置中的锥盘结构示意图；

图5为一种轴承座结构的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的钻具外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；

图7为一种传感器盒的结构示意图。

附图标记说明：

A：检测装置； B：钻杆外螺纹接头；

1：锥盘； 10：切面；

12：直线轴承； 14：轴承座；

141：固定端； 141a：槽形豁口；

142：安装端； 16：沉槽；

18：限位导轨； 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；

2032a：滑槽； 3：传动机构；

30：丝杆电机； 301：丝杠；

302：丝杠螺母； 32：拨盘；

321：连接槽； 4：拨盘导轨；

5：尾盘； 50：控制按钮；

52、101：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做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外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外螺纹应力检测装置A包括：锥盘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的个数以可以沿锥盘周向均匀紧凑排列为最佳。

其中，检测器20包括沿锥盘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沿所述钻具外螺纹的锥面母线运动。金属磁记忆传感器201用于获取钻具外螺纹表面的磁记忆信号。

图3为本发明实施例提供的钻具外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外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外螺纹应力检测装置A，通过沿锥盘周向布设的多个金属磁记忆传感器，由于钻杆外螺纹接头B的外表面呈锥形面，从而使金属磁记忆传感器可以与钻杆外螺纹接头B的外表面相配合，并沿钻具外螺纹锥面母线移动，对钻杆外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外螺纹外接头的螺纹表面的磁记忆信号，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，找出钻杆外螺纹接头的应力集中区，从而实现对钻杆外螺纹接头的受损部位和受损程度进行检测。而且，在检测前，无需对钻杆外螺纹接头进行充磁和清理，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外螺纹应力检测装置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，钻杆外螺纹接头B的粗细以及螺纹接头外表面的锥形面的倾斜度不同，相应的，所使用的检测装置的锥盘的尺寸也会不同，钻杆外螺纹接头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。

作为一种较佳的实施方式，本实施例提供的钻具外螺纹应力检测装置中的锥盘可以采用图4所示的结构，用于布设检测机构2。其中，图4为本发明实施例提供的钻具外螺纹应力检测装置中的锥盘结构示意图。请参照图4，在本实施例中，可以沿锥盘1的周向均匀开设多个切面10，在所述切面10上设置直线轴承12，将所述导杆202与所述直线轴承12轴连接。

进一步的，作为一种优选的实施方式，还可以在切面10上设置轴承座14，用于安装固定直线轴承12。较佳的，轴承座14可以采用图5所示的结构，其中图5为一种轴承座的结构示意图。如图5所示，轴承座14由固定端141和安装端142两部分组成。固定端141用于和切面10相连接，固定端141可以为两块平行设置的固定条，固定条两端各开设有一槽形豁口141a，通过两个固定条的豁口将所述轴承座14固定在所述锥盘的切面10上。相应的，可以在图4所示的锥盘切面上开设四个固定孔101，固定孔101的位置与固定条上的槽形豁口141a的位置相对应，进而可以通过螺钉将轴承座14固定在切面10上。安装端142用于安装固定直线轴承12。

作为一种优选的实施方式，本实施例提供的钻具外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和拨盘32。

进一步的，作为一种可选的实施方式，丝杠电机30可以固定在锥盘1的中心，拨盘32位于锥盘1中直径小的端面的正上方，丝杠电机30的丝杠301贯穿锥盘1与拨盘32的轴线，所述丝杠电机30的丝杠螺母302安装于丝杠301上，丝杠螺母302与拨盘32固定连接，所述拨盘32沿周向均匀设置多个连接槽321，连接槽321分别与检测器20一一对应连接。

优选的，可以在锥盘1的底面中心开设一沉槽16，如图2所示，将丝杠电机30安装于沉槽16中。

具体的，本实施例提供的钻具外螺纹应力检测装置A中的锥盘1、检测机构2和传动机构3的连接方式可以参照图6所示的连接结构，其中图6为本发明实施例提供的钻具外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6所示，检测器20的导杆202穿设在直线轴承12中与直线轴承12轴连接，导杆202的一端与拨盘32上的连接槽321相连接，金属磁记忆传感器201设置于导杆202的另一端上。

具体的，可以在导杆202上与连接槽321相连接的一端沿所述导杆长度方向开设两个通孔，通过穿设于所述通孔中的铆钉及固定销将导杆202与连接槽321连接起来。

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。图7为一种传感器盒的结构示意图。如图7所示，传感器盒203可以分为连接部2031和安装部2032两部分。其中，连接部2031位于远离锥盘1的轴线一侧，用于连接导杆202；安装部2032的表面具有与钻具外螺纹相配合的弧度，所述安装部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外螺纹的磁记忆信号的精确性。

优选的，可以在导杆202上与传感器盒203相连接的一端开设螺纹孔，并在传感器盒203的连接部2031上开设一固定槽，通过固定螺钉将导杆固定在连接部的固定槽中。可以理解，固定槽的宽度等于导杆端面的直径。

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沿钻具外螺纹的锥面周向均匀紧凑排列，对钻杆外螺纹进行较为完整的检测。

进一步的，作为一种较佳的实施方式，还可以在锥盘1的切面上设置一限位导轨18。具体的，限位导轨18的一端可以固定在轴承座14的固定端141的两固定条中间，限位导轨18的另一端可以与传感器盒滑动连接，可以确保金属磁记忆传感器沿限位导轨运动。显而易见的，限位导轨18与钻具外螺纹接头锥面的母线是平行的。相应的，可以在传感器盒203的安装部2032的中间开设一滑槽2032a，通过滑槽2032a实现传感器盒203与限位导轨18的滑动连接。

作为一种较佳的实施方式，还可以在锥盘1靠近拨盘32的端面上设置拨盘导轨4，所述拨盘导轨4与所述拨盘32滑动连接。示例性的，拨盘导轨4可以为两条平行设置的导向杆。

进一步的，作为一种较佳的实施方式，还可以在拨盘导轨4的另一端设置一尾盘5，尾盘5与拨盘导轨4的另一端固定连接。示例性的，可以在拨盘导轨4上与尾盘5连接的一端沿拨盘导轨的长度方向开设固定孔，同时在尾盘5的侧面开设固定孔52，然后通过螺钉将拨盘导轨与尾盘固定连接。

进一步的，还可以在尾盘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向靠近锥盘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向远离锥盘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。

在实际应用中，本实施例提供的钻具外螺纹应力检测装置，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，进而带动拨盘沿丝杠长度方向运动，同时在拨盘导轨的的引导作用下，使拨盘沿锥盘的轴向运动，拨盘拉动导杆，进而拉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限位导轨的引导作用下，紧贴钻杆外螺纹接头的表面并沿螺纹锥面的母线方向运动，从而采集钻杆外螺纹的磁记忆信号。拨盘与检测器导杆之间通过铆钉进行上下限位，因而在移动的过程中，检测器可以在拨盘的径向进行灵活调整，这样在检测器本身自重以及线性轴承的作用下，保证检测器能够与外螺纹较为紧密贴合，从而获取较为精确的磁记忆信号。

值得一提的是，上述检测装置中锥盘的内切圆直径要大于等于钻杆外螺纹接头最顶端的直径，限位导轨的长度大于外螺纹接头的螺纹高度，导杆的可移动长度也大于外螺纹接头的螺纹高度，且导杆和限位导轨的倾斜度要与钻杆外螺纹接头锥面的倾斜度相符合，也就是说，锥盘的切面的倾斜度要与钻杆外螺纹接头锥面的倾斜度相符合。

本发明提供的钻具外螺纹应力检测装置，通过设置多个与钻具外螺纹锥面相配合的金属磁记忆传感器沿钻具外螺纹的锥面母线运动，从而获取精确的钻具外螺纹的磁记忆信号，根据金属磁记忆检测原理实现对钻具外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，本发明提供的钻具外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 (8)

1.一种钻具外螺纹应力检测装置，其特征在于，包括：锥盘、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盘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外螺纹的锥面母线运动；

所述锥盘沿周向均匀设有多个切面，所述切面上设置有直线轴承，所述导杆与所述直线轴承轴连接；

所述切面上还设置有限位导轨，所述限位导轨与用于放置所述金属磁记忆传感器的传感器盒滑动连接，所述限位导轨与钻具外螺纹接头锥面的母线平行。

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：丝杠电机和拨盘；

所述丝杠电机固定在所述锥盘的中心，所述拨盘位于所述锥盘中直径小的端面的正上方，所述丝杠电机的丝杠贯穿所述锥盘与所述拨盘的轴线，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拨盘固定连接，所述拨盘沿周向均匀设置多个连接槽，所述多个连接槽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，所述传感器盒由连接部和安装部组成；

所述连接部位于远离所述锥盘轴线一侧，用于连接所述导杆；

所述安装部的表面具有与钻具外螺纹相配合的弧度，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，所述导杆上远离所述传感器盒一端沿所述导杆长度方向开设有两个通孔，所述导杆与所述连接槽通过穿设于所述通孔中的铆钉及固定销相连接。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述锥盘中心开设有沉槽，所述丝杠电机安装于所述沉槽中。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传动机构还包括拨盘导轨，所述拨盘导轨与所述拨盘滑动连接，所述拨盘导轨一端与所述锥盘中靠近所述拨盘的端面固定连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括尾盘，所述尾盘与所述拨盘导轨另一端固定连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述尾盘上设置有控制按钮，所述控制按钮与所述传动机构连接。