CN109238345A - 一种全尺寸铝合金钻杆检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油及勘探钻采工具的检测领域，公开了一种全尺寸铝合金钻杆检测方法及系统。本发明根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度；距离传感器是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。此系统不仅减少了测量时间，省去了管体在测量时反复吊装、旋转的步骤，还在根本上解决了用卡尺、塞尺等测量弯曲度、同轴度时测量困难及误差大的问题，在减少检测时间及人员数量的同时，可明显提高工作效率，为有效控制产品质量提供了保障。

Description

一种全尺寸铝合金钻杆检测方法及系统

技术领域

本发明属于石油及勘探钻采工具的检测领域，尤其涉及一种全尺寸铝合金钻杆检测方法及系统。

背景技术

目前，石油及勘探行业使用的铝合金钻杆基本上是从俄罗斯、美国、日本等国家购买，国内对于铝合金钻杆的研制还处于初始阶段，管体检测设备的研制更是尚未起步。由于铝合金钻杆管体存在阶段性变化，壁厚、内径、外径在不同位置存在变量，使测量过程非常繁琐，目前国内没有成型的检测设备，基本是人工用卡尺、塞尺等量具进行检测。

在测量直径时，由于过渡区域为非平面，卡尺定位不准确，致使测量重复精度低、误差大、耗时长、工作量多；测量弯曲度、同轴度时，由于过渡形式的不同，通长方向上的直径存在变量，需要制作多种垫块进行隔垫，在管体旋转过程中用塞尺进行测量，定位极不准确，需要进行反复验证，并且需要多人操作；对于腔体内部的过渡区域无法测量，只能破坏一个产品进行测量。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有测量方法主要是接触式测量，用卡尺卡住管体进行检测，卡尺对被测表面的平整度要求高，在斜面上定位不准确、误差大，重复精度低。由于管体外径不同，使用塞尺测量时需要把管体垫起，在滚动过程中寻找最低点，操作人员多、耗时长。内腔的过渡尺寸没有有效的测量方法，只能将产品破开测量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全尺寸铝合金钻杆检测方法及系统。

本发明是这样实现的，根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度，管体的未知壁厚设为t，超声波在铝合金材料中的传播速度为V_超(已知)，从发射到返回探头的记录时间为S_超(测得)，t＝S_超×V_超/2。距离传感器是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离，传感器两次的测量位置距离为L1(系统设定值)；管体的实际直径设为D，光脉冲在空气中的传播速度为V_光(已知)，在L2处的发射、返回时间为S2(测得)，在L3处的发射、返回时间为S3(测得)，D＝L1-L2-L3＝L1-S2×V_光/2-S3×V_光/2，根据此原理还可测量弯曲度、同轴度等指标；内视系统装有视频采集器，采集器在半球面区域任意旋转，可将管体内部的图像传输至显示器，由此观察管体内部的表面质量，将视频采集器换下，安装内径通规(根据标准配做)，利用检测系统的动力设备是通规在管体内移动，以此来检查内腔通过性。

进一步，所述全尺寸铝合金钻杆检测方法具体包括：

将铝合金钻杆放在多个支架分总成上，通过检测分总成上的超声波探头来测量管体的壁厚，超声波探头可在一定角度内活动，以适应测量有一定角度的过渡斜面，通过对管体通长方向上壁厚的测量，可确定管体内加厚、外加厚、内过渡、外过渡、薄壁的各区域的具体长度，对管体的结构进行定位；

检测分总成上装有距离传感器，通过测得的距离差值，检测管体的直径、弯曲度、总长度及同轴度；

内部检测分总成配有视频头，检测管体内腔的表面质量，将视频头换下后，安装内径通规，检测内腔的通过性，钻井过程中实现内部取芯。

本发明另一目的在于提供一种全尺寸铝合金钻杆检测系统由底座、支架分总成、测量分总成、内部检测分总成及夹紧分总成组成；

所述支架分总成由径向支架组件、纵向支架组件、支撑座组件组成；

径向支架有单独的动力设备及升降设备，用于将产品垂直升起，并使产品绕中心轴线自转，实现不同位置直径、壁厚、同轴度的测量；

纵向支架组件有独立的升降设备，用于将产品升起，使支架及产品可以沿导轨方向任意改变相对位置，便于测量带有外加厚及保护器的钻杆；

支撑座的使用部位为平面，与检测平台的相同，用于在测量时支撑产品，避免影响弯曲度的测量结果，支撑座有独立的动力系统，使支架分总成沿导轨方向任意改变相对位置。

进一步，所述测量分总成主要由机械臂及测量头组成；

机械臂7沿X、Y、Z三个坐标轴方向精确移动，使检测头移动到预定位置；

所述测量头由超声波测量头、距离传感器、喷头及动力装置组成；

超声波测量头用于测量壁厚及结构定位，距离传感器可测量直径、长度、弯曲度、同轴度参数；

动力装置可以使测量头以X轴为中心进行旋转，增加测量范围。

进一步，所述内部检测分总成由动力系统、视频头及内径通规组成；

视频头用于照明及图像采集，在检验内腔表面质量时进行图像采集，视频头和内径通规互换，进行内径通过性检测；

动力系统为视频头及内径通规在管体内部移动提供动力。

进一步，夹紧分总成由压紧气缸及结构件组成，用于测量时对管体的固定。

底座用于其他分总成的安装基础，包括导轨、传动部件及支撑组件，承受产品及设备的重量。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提供了一种新的检测方法及设备，它适用于目前标准中规定的所有规格及加厚形式的钻杆，并避免了铝合金钻杆测量时管体内部过渡尺寸难以测量、测量误差大等问题。

本发明采用超声波及距离差值的测量方法，省去了管体在测量时反复吊装、旋转的步骤，使单根检测时间由45分钟，缩减至10分钟，效率提高300％以上，在减少检测时间的同时，操作人员数量由两人减少到一人，可省去50％的人工成本。原有的卡尺测量对表面要求高，测量斜面时误差大，内腔需要将产品破开才能测量，不能实现100％检测，本系统可适用于曲面、斜面、圆滑过渡面等多种表面形式，在根本上解决了直径、弯曲度、同轴度测量困难及误差大的问题，在测量封闭腔体时不需要破坏产品，可对产品实现100％检测，为有效控制产品质量提供了保障。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超声波测量壁厚原理图；

图2是本发明实施例提供的传感器两次的测量位置距离示意图；

图3是本发明实施例提供的全尺寸铝合金钻杆检测系统示意图；

图4是本发明实施例提供的支架分总成的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的内部检测分总成的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的底座的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的夹紧分总成的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的检测分总成主视图；

图9是本发明实施例提供的检测分总成左视图；

图10是本发明实施例提供的全尺寸铝合金钻杆检测方法流程图；

图11是本发明实施例提供的夹紧分总成的立体图。

图中：1、径向支架组件；2、纵向支架组件；3、支撑座组件；4、底座；5、夹紧分总成；6、内部检测分总成；7、机械臂；8、测量头；9、距离传感器；10、超声波测量头；11、喷头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为克服现有测量方法误差大、耗时长、测量困难等不足，本发明使用新的测量方法，并设计了检测设备，该设备使用超声波及距离传感器9进行测量，在一台设备上可以同时检测壁厚、直径、长度、弯曲度、同轴度、内径通过性、内部表面质量等多项指标。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例提供的全尺寸铝合金钻杆检测系统，由底座4、支架分总成、测量分总成、内部检测分总成6及夹紧分总成5组成。

支架分总成主要由径向支架组件1、纵向支架组件2、支撑座组件3。径向支架有单独的动力设备及升降设备，可以将产品垂直升起，并使产品绕中心轴线自转，实现不同位置直径、壁厚、同轴度的测量。纵向支架组件2有独立的升降设备，可以将产品升起，使支架及产品可以沿导轨方向任意改变相对位置，便于测量带有外加厚及保护器的钻杆。支撑座的使用部位为平面，与检测平台的作用相同，主要用于在测量时支撑产品，避免影响弯曲度的测量结果，支撑座有独立的动力系统，使支架分总成可以沿导轨方向任意改变相对位置。

测量分总成主要由机械臂7及测量头8组成。机械臂7可以沿X、Y、Z三个坐标轴方向精确移动，使检测头可以移动到预定位置；检测头由超声波测量头10、距离传感器9、喷头11及动力装置组成，超声波测量头10用于测量壁厚及结构定位，距离传感器9可测量直径、长度、弯曲度、同轴度等参数；动力装置可以使测量头8以X轴为中心进行旋转，增加测量范围。

内部检测分总成6由动力系统、视频头及内径通规组成(根据管体理论内径配做)。视频头配有照明及图像采集功能，可以在检验内腔表面质量时进行图像采集，视频头可以和内径通规互换，进行内径通过性检测。动力系统为视频头及内径通规在管体内部移动提供动力。

夹紧分总成5主要由压紧气缸及结构件组成，用于测量时对管体的固定。

底座4是设备的基本结构件，主要是作为其他分总成的安装基础，包括导轨、传动部件及支撑组件，承受产品及设备的重量

1为径向支架组件，2为纵向支架组件，3为支撑座组件。测量前将铝合金钻杆放在3上面，然后升起2，将管体向上顶起，使管体与3产生间隙，此时3的动力设备使支架总成沿管体轴向运动，根据钻杆的长度及外部结构调整3与管体的相对位置。

4是底座，5是夹紧分总成，6是内部检测分总成，5、6与4之间与螺栓紧固。将3调整到预定位置后，收起2，并用4将管体夹紧，防止管体滚动。

7是机械臂，8是测量头，9是距离传感器探头，10是超声波测量头、11是喷头，检测分总成通过限位导轨与4连接。在检测过程中，7沿X、Y、Z三个坐标轴方向精确移动，使8移动到预定位置，8绕X轴转动，调节检测头角度，7与8可实现四轴联动。

在检测壁厚时，8上的10通过气缸压紧弹簧与管体接触，一次装卡可检测左、右、上三个方向，将1升起，通过1的动力设备使管体绕中线转动，可测得其他方向的壁厚；检测直径时，使用9在管体两侧分别测量9与管体的最小距离，9两次定位距离减去两次检测距离即为管体直径；在检测长度、弯曲度时，9沿管体轴线方向移动，移动过程中在预定位置进行检测计数，最大值与最小值的差即为弯曲度，检测过程中可利用1进行多角度检测；检测同轴度时，将两侧的支架总成移至靠近管体端头，用9沿管体轴线方向移动，依次测量管体、钢接头与9的距离，距离与理论半径的差值即为同轴度；在6的前段可安装视频头及内径通规，通过动力设备实现在管体内部移动，以此来检测内径通过性及内部表面质量；在确定各区域的壁厚、直径后，可以确定管体的实际结构，使用11对各区域做出标记，在锯切定尺时按照标记锯切，从而保证定尺加厚段的长度符合要求。

本发明实施例提供的全尺寸铝合金钻杆检测方法，通过超声波测量壁厚，通过距离传感器9测量形位尺寸，通过内视系统检测内腔表面质量及内径通过性。

具体包括：

S101：将铝合金钻杆放在多个支架分总成上，通过检测分总成上的超声波探头来测量管体的壁厚，超声波探头可在一定角度内活动，以适应测量有一定角度的过渡斜面，通过对管体通长方向上壁厚的测量，可确定管体内加厚、外加厚、内过渡、外过渡、薄壁等各区域的具体长度，便于对管体的结构进行定位。

S102：检测分总成上装有距离传感器9，通过测得的距离差值，可以检测管体的直径、弯曲度、总长度及同轴度。

S103：内部检测分总成6配有视频头，可以检测管体内腔的表面质量，将视频头换下后，可安装内径通规，检测内腔的通过性，便于钻井过程中实现内部取芯。

本发明采用超声波及距离差值的测量方法，不仅减少了单根测量时间，省去了管体在测量时反复吊装、旋转的步骤，还在根本上解决了弯曲度、同轴度测量困难及误差大的问题，在减少检测时间及人员数量的同时，可明显提高工作效率，为有效控制产品质量提供了保障。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全尺寸铝合金钻杆检测方法，其特征在于，该全尺寸铝合金钻杆检测方法通过超声波测量壁厚，管体的未知壁厚设为t，超声波在铝合金材料中的传播速度为V_超，从发射到返回探头的记录时间为S_超，t＝S_超×V_超/2；通过距离传感器测量形位尺寸，距离传感器两次的测量位置距离为L1；管体的实际直径设为D，光脉冲在空气中的传播速度为V_光，在L2处的发射、返回时间为S₂，在L3处的发射、返回时间为S3，D＝L1-L2-L3＝L1-S2×V_光/2-S3×V_光/2，根据此原理还可测量弯曲度、同轴度等指标；内视系统装有视频采集器，采集器在半球面区域任意旋转，可将管体内部的图像传输至显示器，由此观察管体内部的表面质量，将视频采集器换下，安装内径通规，利用检测系统的动力设备是通规在罐体内移动，以此来检查内腔通过性。

2.如权利要求1所述的全尺寸铝合金钻杆检测方法，其特征在于，所述全尺寸铝合金钻杆检测方法具体包括：

将铝合金钻杆放在多个支架分总成上，通过检测分总成上的超声波探头来测量管体的壁厚，超声波探头可在一定角度内活动，以适应测量有一定角度的过渡斜面，通过对管体通长方向上壁厚的测量，可确定管体内加厚、外加厚、内过渡、外过渡、薄壁的各区域的具体长度，对管体的结构进行定位；

检测分总成上装有距离传感器，通过测得的距离差值，检测管体的直径、弯曲度、总长度及同轴度；

内部检测分总成配有视频头，检测管体内腔的表面质量，将视频头换下后，安装内径通规，检测内腔的通过性，钻井过程中实现内部取芯。

3.一种如权利要求1所述全尺寸铝合金钻杆检测方法的全尺寸铝合金钻杆检测系统，其特征在于，所述全尺寸铝合金钻杆检测系统由底座、支架分总成、测量分总成、内部检测分总成及夹紧分总成组成；

所述支架分总成由径向支架组件、纵向支架组件、支撑座组件组成；

径向支架有单独的动力设备及升降设备，用于将产品垂直升起，并使产品绕中心轴线自转，实现不同位置直径、壁厚、同轴度的测量；

纵向支架组件有独立的升降设备，用于将产品升起，使支架及产品可以沿导轨方向任意改变相对位置，便于测量带有外加厚及保护器的钻杆；

支撑座的使用部位为平面，与检测平台的相同，用于在测量时支撑产品，避免影响弯曲度的测量结果，支撑座有独立的动力系统，使支架分总成沿导轨方向任意改变相对位置。

4.如权利要求3所述的全尺寸铝合金钻杆检测系统，其特征在于，所述测量分总成主要由机械臂及测量头组成；

机械臂沿X、Y、Z三个坐标轴方向精确移动，使检测头移动到预定位置；

所述测量头由超声波测量头、距离传感器、喷头及动力装置组成；

超声波测量头用于测量壁厚及结构定位，距离传感器可测量直径、长度、弯曲度、同轴度参数；

动力装置可以使测量头以X轴为中心进行旋转，增加测量范围。

5.如权利要求3所述的全尺寸铝合金钻杆检测系统，其特征在于，所述内部检测分总成由动力系统、视频头及内径通规组成；

视频头用于照明及图像采集，在检验内腔表面质量时进行图像采集，视频头和内径通规互换，进行内径通过性检测；

动力系统为视频头及内径通规在管体内部移动提供动力。

6.如权利要求3所述的全尺寸铝合金钻杆检测系统，其特征在于，夹紧分总成由压紧气缸及结构件组成，用于测量时对管体的固定；

底座用于其他分总成的安装基础，包括导轨、传动部件及支撑组件，承受产品及设备的重量。