CN117388359A - 一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，涉及螺纹缺陷检测技术领域，包括步骤：根据被测钻杆的几何和材料参数获得频散曲线及频率范围，通过爬行机器人带动钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器移动，在第n根钻杆内螺纹和第n‑1根钻杆外螺纹啮合形成的螺纹连接区域时进行激励，获得信号x(t)n1，并使用环状超声导波激励和接收探头交换，接收到信号x(t)n2，实现在机检测，使用螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，对第n和n‑1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位。本发明无需“拆”和“装”这两个步骤，将极大地提高在役钻杆螺纹缺陷的检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及螺纹缺陷检测技术领域，特别涉及一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法。
背景技术
钻机是实现国家科技创新规划提出的“深地”和“深海”战略的关键装备之一，是煤矿瓦斯抽采、油气开采、地质勘探、海洋钻探、极地钻探、大陆深部科学钻探以及月球钻探取样等领域的重要装备。钻杆是钻机装备的核心部件，是联通地面与井下的枢纽。钻机在服役过程中，由一系列单根钻杆通过螺纹连接而形成的整根钻柱，将钻机输出的巨大扭矩从井口传递到井底钻头。单根钻杆的一端是外螺纹，另一端是内螺纹。服役于千米深井的钻柱通常由数百根甚至上千根钻杆通过螺纹连接而成。钻杆在井下的服役条件十分恶劣，长期承受扭转、拉压、弯曲且与井壁摩擦碰撞等交变载荷的作用，还处于高温高压泥浆冲刷和腐蚀环境中，极易产生失效。两根钻杆之间的螺纹连接部位具有的齿状结构在承载时相互挤压易产生局部应力集中现象，因此，钻杆绝大部分的失效发生于螺纹连接部位。钻杆失效易导致钻井事故，而事故一旦发生，往往造成巨大的经济损失。因此，定期对在役钻杆螺纹部位进行无损检测，对保证钻机的安全运行具有重要意义。
目前国内外对钻杆螺纹部位缺陷的检测方法，主要有超声法、漏磁法、交流电磁法和视觉法。这些方法都只能检测单根钻杆的内螺纹或者外螺纹，而无法实现内外螺纹啮合状态下内螺纹或者外螺纹处的缺陷，从而不能实现在役钻杆螺纹缺陷的在机检测。利用这些方法进行在役钻杆螺纹缺陷无损检测时，需要三个步骤。首先，将在役钻柱从千米深的井下提升到地面，再把钻柱拆成数百根甚至上千根单根钻杆；其次，对拆卸下来的数百根甚至上千根，逐根检测单根钻杆的内螺纹和外螺纹；最后，把检测好的数百根甚至上千根单根钻杆，通过螺纹连接组装成钻柱，并放回到深井中。这种“拆->检->装”的检测方式，在检测在役钻杆螺纹时显得耗时费力，效率极端低下。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，以解决现有技术中使用“拆->检->装”的检测方式，在检测在役钻杆螺纹时显得耗时费力，效率极端低下的问题。
本发明具体提供如下技术方案：一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，包括以下步骤：
根据被测钻杆管体的几何和材料参数，获得钻杆管体的频散曲线，并根据所述频散曲线选择钻杆螺纹连接区域的超声导波模态，确定频率范围[a,b]；
在所述频率范围[a,b]中选择穿过螺纹连接区域透射波能量E最大时的频率f，作为最优检测中心频率f0；
将最优检测中心频率f0存储到钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器；
将钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器固定在管道爬行机器人上，并使管道爬行机器人沿着钻柱从上到下爬行；
在管道爬行机器人运动到第n根钻杆内螺纹和第n-1根钻杆外螺纹啮合形成的螺纹连接区域时，停止爬行，通过激励探头施加中心频率为f0激励信号，并接收信号x(t)n1；
使用环状超声导波激励和接收探头交换，接收到信号x(t)n2；
使用螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，对第n和n-1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位。
优选的，所述在所述频率范围[a,b]中选择穿过螺纹连接区域透射波能量E最大时的频率f，作为最优检测中心频率f0，包括如下步骤：
通过两根单根钻杆的内外螺纹啮合形成螺纹连接区域，建立超声导波检测钻杆螺纹连接区域的仿真模型或实验平台；
根据选取的超声导波检测模态，在激励幅值一定的情况下，在一根钻杆的管体端激励中心频率为a的超声导波，超声导波传播通过螺纹连接区域，在另外一根钻杆的管体端被接收；
接收的离散信号为x(n)，长度为N，计算出中心频率为a时的透射波能量；
设定扫频步长为t，重复上述步骤，计算中心频率为a+t时的透射波能量，并获得透射波能量E随激励中心频率f变化的关系曲线；
选择透射波能量E最大时对应的频率，作为检测检测钻杆螺纹连接区域的最优检测频率f0。
优选的，所述计算出中心频率为a时的透射波能量，具体表达式为：
其中，E为透射波能量，N为离散信号x(n)的长度。
优选的，通过钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器在钻杆螺纹连接区域无缺陷获取基准信号，包括如下步骤：
将两个钻杆通过内外螺纹连接在一起，形成螺纹连接区域；
将超声导波激励探头置于螺纹连接区外螺纹端的钻杆管体上，将接收探头置于螺纹连接区域内螺纹端的钻杆管体上，并将激励探头和接收探头与便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器连接；
钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器发射M个周期的中心频率为f0的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块，将放大信号施加在激励探头上，在钻杆中激励超声导波；
超声导波传播通过螺纹连接区域，被接收探头接收，将获得的第一接收信号记作Rab，并计算第一接收信号的能Eab；
调换激励和接收探头的位置，重复计算第一接收信号的能Eab的所有步骤，获得第二接收信号Rba，并计算第二接收信号的能量Eba；
将所述能量Eab和Eba作为检测参考信号和能量基准指标。
优选的，所述通过激励探头施加中心频率为f0的激励信号，并接收信号x(t)n1，包括如下步骤：
将超声导波激励和接收探头分别安装在第n-1和n根钻杆的管体上；
钻杆螺纹检测与定位仪器施加M个周期的中心频率为f0的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块放大之后施加到激励超声探头上；
在第n-1根钻杆管体处激励超声导波，超声导波传播经过螺纹连接区域，信号在第n根钻杆的管体处被激励信号接收，接收到的信号记作x(t)n1。
优选的，所述使用螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，对第n和n-1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位，包括如下步骤：
根据信号x(t)n1和x(t)n2分别计算信号的能量En1和En2；
判断信号Rab与x(t)n1以及Rba与x(t)n2之间的差异，并比较Eab与En1、Eba与En2以及En1与En2之间的大小；
若信号Rab与x(t)n1，Rba与x(t)n2之间差异超过阈值，或者Eab与En1、Eba与En2之间差异超过阈值时，判定该螺纹连接区域内螺纹或者外螺纹端有缺陷；
若En1>En2且数值差距大于阈值，则判定螺纹连接区域内缺陷位于第n-1根钻杆外螺纹端；
若En1<En2且数值差距大于阈值，则判定螺纹连接区域内缺陷位于第n根钻杆内螺纹端；
若En1与En2之间数值差距小于阈值，则判定螺纹连接区域内第n-1根钻杆的外螺纹端与第n根钻杆的内螺纹端都有缺陷。
优选的，将所述钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器通过螺栓连接或磁铁吸附的方式安装在管道爬行机器人上。
优选的，通过所述钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器对钻杆螺纹连接区域缺陷进行检测，包括步骤：
在激励端使用核心控制系统模块将产生激励信号的指令发给任意波形发生器模块；任意波形发生器模块产生激励信号，经宽频线性脉冲功放模块放大之后，通过有线或者无线的方式，施加到激励超声探头；
在接收端接收超声导波探头将接收到的信号，经前置信号放大调理模块放大之后，进入数据采集系统，并将采集到信号送入核心控制系统，进行处理和存储。
优选的，将所述核心控制系统与数据存储模块以及显示模块连接，进行数据相互交互。
优选的，所述根据被测钻杆管体的几何和材料参数，获得钻杆管体的频散曲线，包括步骤：
通过半解析有限元的方法求解钻杆管体、螺纹啮合区域的频散曲线；
其中，被测钻杆管体的几何和材料参数为钻杆管体的外直径、内直径，两根钻杆啮合到一起的长度，螺纹连接区域长度，啮合长度，以及螺纹的高度、螺距和锥度。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明根据被测钻杆的几何和材料参数获得频散曲线及频率范围，通过爬行机器人带动钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器移动，在第n根钻杆内螺纹和第n-1根钻杆外螺纹啮合形成的螺纹连接区域时进行激励，获得信号x(t)n1，并使用环状超声导波激励和接收探头交换，接收到信号x(t)n2，实现在机检测，使用螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，对第n和n-1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位。本发明无需“拆”和“装”这两个步骤，将极大地提高在役钻杆螺纹缺陷的检测效率，并能对缺陷是发生在螺纹连接区域的公螺纹端、还是母螺纹端进行定位。本发明提出了基于超声导波的在役钻杆螺纹无损检测方法，该方法可以实现在机检测，省掉了传统离线检测方法中的“拆”和“装”两个步骤，极大地提高了检测效率。
附图说明
图1为本发明提供的井下N根单根钻杆通过螺纹连接形成钻柱具有N-1个螺纹连接区域示意图；
图2为本发明提供的超声导波检测钻杆螺纹连接区域的仿真模型图；
图3为本发明提供的基于超声导波的在役钻杆螺纹连接区域缺陷在机检测装置及方案示意图；
图4为本发明提供的便携式钻杆螺纹连接区域缺陷检测与定位仪器模块框图；
图5为本发明提供的两个单根钻杆通过内螺纹啮合作为在役钻杆的实例模型图；
图6为本发明提供的螺纹啮合区域的相关尺寸图；
图7为本发明提供的被测钻杆的相速度和群速度频散曲线图，其中(a)为相速度图，(b)为群速度图；
图8为本发明提供的超声导波检测钻杆螺纹连接区域的有限元模型布置图；
图9为本发明提供的中心频率为60kHz时的时域波形图；
图10为本发明提供的透射波能量随中心频率f的变化变形曲线图；
图11为本发明提供的中心频率f0＝60kHz时接收信号Rab的时域波形图；
图12为本发明提供的中心频率f0＝60kHz时接收信号Rab的时域波形图
图13为本发明提供的被检测两根钻杆啮合区域外螺纹和内螺纹都有缺陷实物图；
图14为本发明提供的被检测两根钻杆啮合区域外螺纹和内螺纹都有缺陷图，其中(a)为基准Rab与检测信号x(t)1之间的比较图，(b)为基准检测信号之间的比较图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法。假定深井中服役的钻柱是由N根单根钻杆通过螺纹连接而成，N根钻杆啮合从而形成N-1个螺纹连接区域，从而对N-1个螺纹连接区域螺纹啮合状态下的内外螺纹进行无损检测，如图1所示。
具体包括以下步骤：
步骤S1：根据被测钻杆管体的几何和材料参数，计算获得钻杆管体的频散曲线，并根据所述频散曲线选择钻杆螺纹连接区域的超声导波模态，确定频率范围[a,b]。
根据被测钻杆管体的几何和材料参数，获得钻杆管体的频散曲线，包括步骤：
其中，被测钻杆管体的几何和材料参数为钻杆管体的外直径、内直径，两根钻杆啮合到一起的长度，螺纹连接区域长度，啮合长度，以及螺纹的高度、螺距和锥度。
步骤S2：通过仿真或实验方法，在频率范围[a,b]中选择穿过螺纹连接区域透射波能量E最大时的频率f，作为最优检测中心频率f0。
在本步骤中，获取频率f具体包括如下步骤：
通过两根单根钻杆的内外螺纹啮合形成螺纹连接区域，建立超声导波检测钻杆螺纹连接区域的仿真模型或实验平台；如图2所示。
根据选取的超声导波检测模态，在激励幅值一定的情况下，在一根钻杆的管体端激励中心频率为a的超声导波，超声导波传播通过螺纹连接区域，在另外一根钻杆的管体端被接收。
接收的离散信号为x(n)，长度为N，计算出中心频率为a时的透射波能量。
其中，E为透射波能量，N为离散信号x(n)的长度。
设定扫频步长为t，重复上述步骤，计算中心频率为a+t时的透射波能量，并获得透射波能量E随激励中心频率f变化的关系曲线。
选择透射波能量E最大时对应的频率，作为检测检测钻杆螺纹连接区域的最优检测频率f0。
步骤S3：将最优检测中心频率f0存储到钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器。
在本步骤中，通过便携钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器在钻杆螺纹连接区域无缺陷获取基准信号，包括如下步骤：
①将两个钻杆通过内外螺纹连接在一起，形成螺纹连接区域。
②将超声导波激励探头置于螺纹连接区外螺纹端的钻杆管体上，将接收探头置于螺纹连接区域内螺纹端的钻杆管体上，并将激励探头和接收探头与便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器连接。
③钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器发射M(M＝5或10)个周期的中心频率为f0的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块，将放大信号施加在激励探头上，在钻杆中激励超声导波；超声导波传播通过螺纹连接区域，被接收探头接收，将获得的第一接收信号记作Rab，并计算第一接收信号的能Eab。
④调换激励和接收探头的位置，重复步骤③，即重复计算第一接收信号的能Eab的所有步骤，获得第二接收信号Rba，并计算第二接收信号的能量Eba。
⑤存储接收信号Rab和Rba，将能量Eab和Eba作为检测参考信号和能量基准指标。
步骤S4：将超声导波激励探头、接收探头以及钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器连接，将钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器固定在管道爬行机器人上，管道爬行机器人沿着钻柱从上到下爬行。
步骤S5：在管道爬行机器人运动到第n(2≤n≤N)根钻杆内螺纹和第n-1根钻杆外螺纹啮合形成的螺纹连接区域时，管道机器人停止爬行，如图3所示。通过激励探头施加中心频率为f0激励信号，并接收信号x(t)n1。
在本步骤中，通过激励探头施加中心频率为f0的激励信号，并接收信号x(t)n1，包括如下步骤：
管道爬行机器人将超声导波激励和接收探头分别安装在第n-1和n根钻杆的管体上。
便携式钻杆螺纹检测与定位仪器施加M(M＝5或10)个周期的中心频率为f0的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块放大之后施加到激励超声探头上。
在第n-1根钻杆管体处激励超声导波，超声导波传播经过螺纹连接区域，信号在第n根钻杆的管体处被激励信号接收，接收到的信号记作x(t)n1，并保存。
步骤S6：使用环状超声导波激励和接收探头交换，接收到信号x(t)n2。
具体为：
将环状超声导波激励和接收探头交换，即将环状超声导波激励和接收探头分别安装在第n和n-1根钻杆的管体上，同样使用便携式钻杆螺纹检测与定位仪器激励和接收超声导波，此时，接收到的信号记作x(t)n2，并保存。
步骤S7：使用便携式螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，执行钻杆螺纹检测与定位算法，对第n和n-1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位。
本步骤具体包括如下步骤：
根据信号x(t)n1和x(t)n2分别计算信号的能量En1和En2。
判断信号Rab与x(t)n1以及Rba与x(t)n2之间的差异，并比较Eab与En1、Eba与En2以及En1与En2之间的大小。
若信号Rab与x(t)n1，Rba与x(t)n2之间差异超过阈值，或者Eab与En1、Eba与En2之间差异超过阈值时，判定该螺纹连接区域内螺纹或者外螺纹端有缺陷。信号Rab与x(t)n1，Rba与x(t)n2之间差异不大；或者Eab与En1,Eba与En2之间差异不大，则判定该螺纹连接区域的外螺纹和内螺纹都正常。
在判断螺纹区域有缺陷的基础上，进一步对缺陷进行定位和判断。
若En1>En2且数值差距大于阈值，则判定螺纹连接区域内缺陷位于第n-1根钻杆外螺纹端。
若En1<En2且数值差距大于阈值，则判定螺纹连接区域内缺陷位于第n根钻杆内螺纹端。
重复上述步骤，直到全部N-1个螺纹连接区域全部检测完毕。
若En1与En2之间数值差距小于阈值，则判定螺纹连接区域内第n-1根钻杆的外螺纹端与第n根钻杆的内螺纹端都有缺陷。
将钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器通过螺栓连接或磁铁吸附的方式安装在管道爬行机器人上。其主要模块如图3所示。
通过所述钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器对钻杆螺纹连接区域缺陷进行检测，包括步骤：
在激励端使用核心控制系统模块将产生激励信号的指令发给任意波形发生器模块；任意波形发生器模块产生激励信号，经宽频线性脉冲功放模块放大之后，通过有线或者无线的方式，施加到激励超声探头。
在接收端接收超声导波探头将接收到的信号，经前置信号放大调理模块放大之后，进入数据采集系统，并将采集到信号送入核心控制系统，进行处理和存储。
将所述核心控制系统与数据存储模块以及显示模块连接，进行数据相互交互。核心控制系统与通讯模块相连，可以实现人机交互。
核心控制系统的主要部分，是部署有钻杆螺纹连接区域缺陷检测与定位算法，可以实现两根钻杆之间螺纹连接区域在内外螺纹啮合状态下的缺陷检测与定位。
实施例：
选择两根矿用钻杆通过内螺纹啮合形成螺纹连接区域作为实例，对发明内容进行更进一步的说明。钻杆管体的外直径73mm，内直径57mm，两根钻杆啮合到一起的长度为3m，螺纹连接区域长度为160mm，啮合长度为70mm，如图5所示。螺纹的高度、螺距和锥度分别为3.011mm、5.08mm和1:6，啮合区域的其他尺寸如图6所示。钻杆材料为碳钢，密度、弹性模量和泊松比分别为8000kg/m3,192GPa和0.33。
(1)根据被测钻杆管体的几何和材料参数，计算钻杆管体的频散曲线相速度和群速度频散曲线，如图7所示。依据频散曲线，选择检测钻杆螺纹连接区域的超声导波模态L(0,2)模态，并初步确定频率范围[60kHz,120kHz]。
(2)通过仿真方法，优化选择检测的中心频率。具体方法为：
①建立超声导波检测钻杆螺纹连接区域的有限元模型布置，如图8所示。激励点距左端面1160mm，接收点距有端面1160mm，激励点与中心点的距离为680mm。
②在激励点激励5个周期中心频率为60kHz的正弦加汉宁窗脉冲信号，在钻杆中激励L(0,2)超声导波。
③接收到的离散信号x(n)的时域波形如图9所示。根据公式计算出中心频率为60kHz时的透射波能量为E＝1.33e-4。
④假设扫频步长为10kHz,重复第②和③，计算中心频率为70kHz时的透射波能量E＝5.55e-5。
⑤重复②、③和④，得到透射波能量E随激励中心频率f变化的关系曲线如图10所示。
⑥选择透射波能量E最大时对应的频率为60kHz，作为检测检测钻杆螺纹连接区域的最优检测频率f0＝60kHz。
(3)将最优检测中心频率f0＝60kHz储存到便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器。
(4)利用便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器，获取并储存钻杆螺纹连接区域无缺陷时的信号，作为基准信号。具体方法如下：
①将两个钻杆通过内外螺纹连接在一起，形成螺纹连接区域。
②将超声导波激励探头置于螺纹连接区外螺纹端的钻杆管体上，将接收探头置于螺纹连接区域内螺纹端的钻杆管体上，并将激励探头和接收探头与便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器连接。
③便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器发射5个周期的中心频率为f0＝60kHz的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块，将放大信号施加在激励探头上，在钻杆中激励超声导波，超声导波传播通过螺纹连接区域，被接收探头接收。此时的接收信号记作Rab，如图11所示，并计算接收信号的能Eab＝2.324e4。
④调换激励和接收探头的位置，重复步骤③，此时的接收信号记作Rba的波形图如12所示，并计算接收信号的能量Eba＝2.319e4。
⑤存储接收信号Rab和Rba，以及能量Eab和Eba作为检测参考信号和能量基准指标，因为基准信号是正常钻杆，基准信号Eab和Eba的值比较接近。
(5)将超声导波激励探头和接收探头与便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器连接，并将其固定在管道爬行机器人上，管道爬行机器人携带便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器对两根钻杆啮合而成螺纹连接区域进行检测。
(6)管道爬行机器人将超声导波激励和接收探头分别安装在第1和2根钻杆的管体上，此时两个钻杆啮合的外螺纹端和内螺纹端都有缺陷，如图13所示。便携式钻杆螺纹检测与定位仪器5个周期的中心频率为60kHz的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块放大之后施加到激励超声探头上，在第1根钻杆管体处激励超声导波，超声导波传播经过螺纹连接区域，信号在第2根钻杆的管体处被激励信号接收，接收到的信号记作x(t)1，并保存。接着将环状超声导波激励和接收探头交换，即将环状超声导波激励和接收探头分别安装在第2和1根钻杆的管体上，同样使用便携式钻杆螺纹检测与定位仪器激励和接收超声导波，此时，接收到的信号记作x(t)2，并保存。
(7)便携式钻杆螺纹检测与定位仪器，根据接收的信号x(t)1和x(t)2。执行钻杆螺纹检测与定位算法模块，实现第1和21根钻杆之间的螺纹连接区域处啮合状态下内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位。具体算法如下：
①根据信号x(t)1和x(t)2分别计算信号的能量E1＝7.69e3,E2＝7.58e3。
②信号Rab与x(t)1,Rba与x(t)2之间的差异，如图14所示。同时比较Eab与E1,Eba与E2以及E1与E2之间的大小。
③信号Rab与x(t)n1，Rba与x(t)n2之间差异较大，且Eab与E1,Eba与E2之间差异较大，因此该螺纹连接区域有缺陷，但是不能判定该螺纹连接区的缺陷的位置。
④E1与E2且数值差距不大，比较接近，可以判定螺纹连接区域内第1根钻杆的外螺纹端与第2根钻杆的内螺纹端都有缺陷。
以上内容是结合具体优选实施方式对本发明做进一步详细说明，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据被测钻杆管体的几何和材料参数，获得钻杆管体的频散曲线，并根据所述频散曲线选择钻杆螺纹连接区域的超声导波模态，确定频率范围[a,b]；
在所述频率范围[a,b]中选择穿过螺纹连接区域透射波能量E最大时的频率f，作为最优检测中心频率f0；
将最优检测中心频率f0存储到钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器；
将钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器固定在管道爬行机器人上，并使管道爬行机器人沿着钻柱从上到下爬行；
在管道爬行机器人运动到第n根钻杆内螺纹和第n-1根钻杆外螺纹啮合形成的螺纹连接区域时，停止爬行，通过激励探头施加中心频率为f0激励信号，并接收信号x(t)n1；
使用环状超声导波激励和接收探头交换，接收到信号x(t)n2；
使用螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，对第n和n-1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位。
2.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，在所述频率范围[a,b]中选择穿过螺纹连接区域透射波能量E最大时的频率f，作为最优检测中心频率f0，包括如下步骤：
通过两根单根钻杆的内外螺纹啮合形成螺纹连接区域，建立超声导波检测钻杆螺纹连接区域的仿真模型或实验平台；
根据选取的超声导波检测模态，在激励幅值一定的情况下，在一根钻杆的管体端激励中心频率为a的超声导波，超声导波传播通过螺纹连接区域，在另外一根钻杆的管体端被接收；
接收的离散信号为x(n)，长度为N，计算出中心频率为a时的透射波能量；
设定扫频步长为t，重复上述步骤，计算中心频率为a+t时的透射波能量，并获得透射波能量E随激励中心频率f变化的关系曲线；
选择透射波能量E最大时对应的频率，作为检测检测钻杆螺纹连接区域的最优检测频率f0。
3.如权利要求2所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，所述计算出中心频率为a时的透射波能量，具体表达式为：
其中，E为透射波能量，N为离散信号x(n)的长度。
4.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，通过钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器在钻杆螺纹连接区域无缺陷获取基准信号，包括如下步骤：
将两个钻杆通过内外螺纹连接在一起，形成螺纹连接区域；
将超声导波激励探头置于螺纹连接区外螺纹端的钻杆管体上，将接收探头置于螺纹连接区域内螺纹端的钻杆管体上，并将激励探头和接收探头与便携式钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器连接；
钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器发射M个周期的中心频率为f0的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块，将放大信号施加在激励探头上，在钻杆中激励超声导波；
超声导波传播通过螺纹连接区域，被接收探头接收，将获得的第一接收信号记作Rab，并计算第一接收信号的能Eab；
调换激励和接收探头的位置，重复计算第一接收信号的能Eab的所有步骤，获得第二接收信号Rba，并计算第二接收信号的能量Eba；
将所述能量Eab和Eba作为检测参考信号和能量基准指标。
5.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，所述通过激励探头施加中心频率为f0的激励信号，并接收信号x(t)n1，包括如下步骤：
将超声导波激励和接收探头分别安装在第n-1和n根钻杆的管体上；
钻杆螺纹检测与定位仪器施加M个周期的中心频率为f0的正弦加汉宁窗脉冲信号，经功率放大模块放大之后施加到激励超声探头上；
在第n-1根钻杆管体处激励超声导波，超声导波传播经过螺纹连接区域，信号在第n根钻杆的管体处被激励信号接收，接收到的信号记作x(t)n1。
6.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，所述使用螺纹检测与定位算法对接收到的信号x(t)n1和x(t)n2进行处理，对第n和n-1根钻杆间螺纹连接处啮合状态下，公内螺纹和外螺纹缺陷的检测与定位，包括如下步骤：
根据信号x(t)n1和x(t)n2分别计算信号的能量En1和En2；
判断信号Rab与x(t)n1以及Rba与x(t)n2之间的差异，并比较Eab与En1、Eba与En2以及En1与En2之间的大小；
若信号Rab与x(t)n1，Rba与x(t)n2之间差异超过阈值，或者Eab与En1、Eba与En2之间差异超过阈值时，判定该螺纹连接区域内螺纹或者外螺纹端有缺陷；
若En1>En2且数值差距大于阈值，则判定螺纹连接区域内缺陷位于第n-1根钻杆外螺纹端；
若En1<En2且数值差距大于阈值，则判定螺纹连接区域内缺陷位于第n根钻杆内螺纹端；
若En1与En2之间数值差距小于阈值，则判定螺纹连接区域内第n-1根钻杆的外螺纹端与第n根钻杆的内螺纹端都有缺陷。
7.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，将所述钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器通过螺栓连接或磁铁吸附的方式安装在管道爬行机器人上。
8.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，通过所述钻杆螺纹缺陷检测与定位仪器对钻杆螺纹连接区域缺陷进行检测，包括如下步骤：
在激励端使用核心控制系统模块将产生激励信号的指令发给任意波形发生器模块；任意波形发生器模块产生激励信号，经宽频线性脉冲功放模块放大之后，通过有线或者无线的方式，施加到激励超声探头；
在接收端接收超声导波探头将接收到的信号，经前置信号放大调理模块放大之后，进入数据采集系统，并将采集到信号送入核心控制系统，进行处理和存储。
9.如权利要求8所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，将所述核心控制系统与数据存储模块以及显示模块连接，进行数据相互交互。
10.如权利要求1所述一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法，其特征在于，所述根据被测钻杆管体的几何和材料参数，获得钻杆管体的频散曲线，包括如下步骤：
通过半解析有限元的方法求解钻杆管体、螺纹啮合区域的频散曲线；
其中，被测钻杆管体的几何和材料参数为钻杆管体的外直径、内直径，两根钻杆啮合到一起的长度，螺纹连接区域长度，啮合长度，以及螺纹的高度、螺距和锥度。
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|---|---|---|---|
| CN202311334939.7A CN117388359A (zh) | 2023-10-16 | 2023-10-16 | 一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法 |
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| CN202311334939.7A CN117388359A (zh) | 2023-10-16 | 2023-10-16 | 一种基于超声导波的在役钻杆螺纹缺陷无损检测方法 |
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| CN117388359A true CN117388359A (zh) | 2024-01-12 |
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| CN (1) | CN117388359A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118010847A (zh) * | 2024-04-08 | 2024-05-10 | 常州润来科技有限公司 | 一种内螺纹管胚缺陷检测方法及系统 |
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2023
- 2023-10-16 CN CN202311334939.7A patent/CN117388359A/zh active Pending
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