CN117795286A - 用于对金属管件的一个端部上或套管上的螺纹进行光学测量的组件以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对螺纹进行光学测量、尤其是对套管处或金属管件(11)的套管端部处的内螺纹(12)进行测量的组件(1)和方法，该组件(1)包括至少一个光学传感器(5)；至少一个另外的光学元件，该另外的光学元件能够相对于光学传感器(5)进行调整，并且以沿光轴(7)距传感器有一定距离的方式布置在光具座(3)上，并且构造用于对内螺纹(12)进行光学扫描；还包括用于检测和/或存储和/或评估由传感器记录的测量数据的器件。

Description

用于对金属管件的一个端部上或套管上的螺纹进行光学测量 的组件以及测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于对螺纹进行光学测量、尤其是对金属管件的套管端部处或套管处的内螺纹进行测量的组件。本发明还涉及一种用于对螺纹进行光学测量、尤其是对金属管件的套管端部处或套管中的内螺纹进行测量的方法。

背景技术

用于输送加压流体(例如天然气或石油)并抗压且气密和液密地彼此螺纹连接的管件受到严格的密封性要求。在这种OCTG作为用于石油或天然气勘探钻孔的套管或立管、或者用于天然气或石油输送管路的情况下，通常使用具有底切的螺纹牙侧面的锥形螺纹。在管件的端侧，密封唇通常联接至螺纹。螺纹和密封唇都必须满足最高的精度要求。在现有技术中，基本已知对螺纹进行光学测量，以便对管件做质量控制。

例如由专利文献WO 2019/09371 A1已知一种用于对管件的外螺纹轮廓进行光学测量的方法和装置。

由专利文献WO 2012/069154 A1已知一种用于检查油田管件的外螺纹的方法和装置，该装置包括在支架上引导的传感器，其中，该传感器布置在设有螺纹的载体上，该载体的螺纹构造成与管件的螺纹对应并且围住待考察的管件的锥形螺纹的一部分。所述传感器构造为共焦传感器。

由专利文献WO 2020/232041 A1同样公开了一种用于测量油田管件处的螺纹的装置。该装置包括传感器单元，该传感器单元构造用于测量传感器与金属管件的螺纹的一部分之间的距离。该传感器或传感器单元可以用多个致动器相对于金属管件的内螺纹沿径向和轴向地调整，其中，控制设备能够由大量的距离测量生成内螺纹的三维图像。所述传感器单元包括彩色共焦传感器，其以位于杆件上的方式被放入金属管件中并且在那里借助触探辊使其在金属管件内对中。在杆件的导杆同心定向后，在金属管件内平移和旋转地调整传感器，其中扫描螺纹并借助这样获得的测量数据生成螺纹的三维图像。

由专利文献WO 2020/232041 A1已知的组件无疑不适合具有小内径的管件。触碰式地将测量组件对中较复杂且需要比较大的结构空间。传感器的视场相对于金属管件的纵轴线成预定角度，且传感器紧固在其上的杆子可以借助三个不同的致动器来操纵，其中，设有用于杆子绕其自身纵轴线旋转运动的致动器，用于杆子绕金属管件的纵轴线转动运动的致动器，以及用于杆子在金属管件内(即与金属管件的纵轴线平行地)线性运动的激活器。用这种组件来扫描底切的和/或锥形的螺纹是很困难的。可以认为，完整检测用于对螺纹进行成像的所有距离信息需要相对长的测量时间。

发明内容

因此，本发明基于的目的是，提供开头提到的类型的组件和方法，该组件和该方法实现以相对短的测量时间对油田管件的套管处的尤其是底切和/或锥形的内螺纹进行光学测量。

该目的通过具有权利要求1的特征的组件以及具有权利要求8的特征的方法来实现。从属权利要求给出了本发明的有利的设计方案。

根据本发明的着眼点，提供了用于对金属管件的端部处的螺纹进行光学测量、尤其是用于对金属管件的套管端部处或套管处的内螺纹进行测量的组件，所述组件包括至少一个光学传感器；至少一个另外的光学元件，其可以相对于光学传感器进行调整，并且以沿光轴距传感器有一确定距离的方式布置在光具座上，并且构造用于对内螺纹进行光学扫描；还包括用于检测和/或存储和/或评估由传感器记录的测量数据的器件。

通过将传感器与至少一个另外的光学元件相结合，可以使用成角度的或笔直构型的小型传感器。如果以笔直构型设置唯一的传感器，该传感器例如可以对准系统的光轴，则这是特别有利的。在根据本发明的组件中，传感器和另外的光学元件形成一个系统。

在根据本发明的组件的一种有利的变型方案中规定，光具座和/或支架可以至少沿金属管件的纵轴线线性调整或者与金属管件的纵轴线平行地调整。

所述传感器例如可以构造为共焦传感器，尤其是彩色共焦传感器。这些传感器很小。通过与另一光学元件相结合，该传感器例如可以构造为笔直构型，由此使组件紧凑并且还可以测量具有小内径的内螺纹。

所述传感器例如可以构造为共焦的测距传感器。在彩色共焦测量系统中，通过透镜系统将白光按照其波长部分进行分解，使得每个波长以不同的限定的距离聚焦。蓝色波列在靠近传感器处聚焦，红色波列在离传感器更远处聚焦。经反射的光将被收集并通过干涉测量进行分析。强度最高的颜色对应于各自的焦点，并且因此对应于传感器到测量点的距离。通过检测大量的点、更确切地说距离，可以轻松生成要测量的螺纹的螺纹轮廓。可以二维或三维地检测和示出这样的螺纹轮廓。

在根据本发明的组件的一种有利的变型方案中规定，光学元件包括可以围绕至少一个轴线调整的镜子。

对于根据本发明的组件，可以规定，光学元件包括至少一个、优选地两个致动器，用该致动器可以使镜子相应绕所述轴线或其他轴线枢转。所述镜子例如可以双重万向节式地悬挂，其中，可以借助磁性致动器分别调整这些万向节架子。

在根据本发明的组件的一种特别优选的变型方案中，光学元件构造为所谓的检流计扫描器，其镜子构造成可以相对于光轴旋转和枢转，从而可以对金属管件的内螺纹的至少部分圆周进行光学扫描。由光学元件的镜子检测的信号沿着组件的光轴传递到传感器。

传感器适宜地包括透镜系统和控制设备，该控制设备以干涉测量的方式评估透镜系统的信号。传感器例如可以借助合适的线缆，例如借助玻璃纤维线缆，与控制设备相连接。

光具座和/或支架可以适宜地借助至少一个线性驱动器进行调整。

所述组件还可以包括使光具座在金属管件内对中的器件，该器件非接触式地工作。信号检测和信号处理可以单通道或多通道地进行。

如果所述组件包括至少一个成90°角度的传感器，则可以借助该传感器使在金属管件内部中的组件内对中。

本发明的另一着眼点涉及用于对金属管件的端部处的螺纹进行光学测量的方法，尤其是用于对金属管件的套管端部处或套管处的内螺纹进行测量的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

A)提供具有至少一个光学传感器和至少一个另外的光学元件的光学系统，该光学传感器和该光学元件布置成沿光轴彼此相距一确定距离；

B)沿金属管件的纵轴线或与金属管件的纵轴线平行地调整光学系统，优选地在金属管件内进行调整，或者沿金属管件的纵轴线或与金属管件的纵轴线平行地相对于位置固定地布置的系统调整金属管件；以及

C)在光学系统的线性调整期间和/或在光学元件与光轴成一定角度地旋转期间扫描内螺纹；以及

D)检测和/或存储和/或处理由传感器检测的测量值。对于根据本发明的方法，可以在单次测量行程中测量一个金属管件的两个内螺纹或一个套管的两个对置的内螺纹。

传感器可以在螺纹的长度上和/或在至少部分圆周上扫描螺纹，其中，传感器优选地检测被转换成二维或三维测量图像并且相应地以二维或三维的方式示出的距离值。

光学传感器优选地包括在光学方面无源的传感器，其包括透镜系统和控制设备。优选地，将由传感器接收的测量信号输送到控制设备，该控制设备执行对测量信号的干涉测量评估。控制设备的数据可以经由接口转递至计算单元，例如计算机(PC)形式的计算单元。

在根据本发明的方法中规定，光学传感器和例如镜子形式的另一光学元件形成光轴。例如在光学传感器的线性调整期间，光学元件可以绕至少一个、优选地两个优选地彼此垂直取向的轴线进行调整，使得在光学系统的测量行程期间可以扫描完整的螺纹。为此，所述光学传感器和另一光学元件优选地以可以相对于彼此调整的方式布置在光轴中。

在所述方法的一种优选的变型方案中，光学系统可以包括至少一个检流计扫描器扫描器，其在光学系统的线性调整期间扫描内螺纹的至少部分圆周。

在此，优选地以二维和/或三维的方式检测和/或示出螺纹导程的轮廓(Kontur)。

在所述方法的一种特别适宜的变型方案中提供使光学系统的光轴在金属管件内或者在套管内自动对中。对于测量行程可以规定，将光学系统布置成位置固定并且使套管或套管端部在系统上移动，或者将金属管件或套管布置成位置固定并且相对于位置固定地布置的金属管件的纵轴线或位置固定地布置的套管的纵轴线调整测量传感器件、更确切地说光学系统。

在根据本发明的方法的一种有利且适宜的变型方案中提供传感器的暗平衡或暗校准。暗平衡例如可以通过移入遮光的壳体中而自动进行。

此外，可以用参考构件提供传感器校准，所述参考构件具有已知的尺寸和已知的螺纹轮廓。此外，还可以附加地通过与存储的光信号强度参考值进行比较来获知光学系统的污染。

在根据本发明的方法的一种特别有利的变型方案中，将由传感器检测的测量数据用于导出用于控制和/或调节机床(例如CNC机床)的控制命令，该机床构造用于通过切削加工在金属管件的至少一个端部处或者在套管中制造内螺纹。所述组件例如可以布置在具有螺纹切削系统的生产线中并且与螺纹切削系统的控制设备和调节组件联接。

光学控制命令例如可以是以下命令：

-识别刀具的磨损和导出调用以更换刀具

-重新调整刀具位置，例如在设置参数不正确时或用于补偿刀具的磨损

-由于切削板的几何布置而对刀具进行修正(例如，如果在更换刀具后可识别到梯度)

-由于磨损而修正刀具(例如当开始润滑切削板时)

-由于外部影响而修正刀具(例如当环境温度变化时)

-由于毛坯不同而修正刀具(例如当管件的材料不同时或壁厚变大或变小时)

-识别刀具的磨损，以便优化使用寿命(例如在使切削速度、切削几何形状、进给量和测量结果彼此协调时)

-识别刀具的磨损，以便预测刀具的破损；识别刀具的磨损，以便优化刀具的库存

-识别刀具的磨损，以便提高生产率(例如通过提早地更换刀具并制造更少的废品)

-通过优化周期时间来提高生产率(例如，可以看到不同的功能是否带来了期望的附加值)

-通过改善物料流来提高生产率(例如，可以更早地发现其他部位的瓶颈，然后更换刀具或进行清洁工作)

-通过早期识别问题来提高质量(例如，如果测量螺纹切削机中的特定振动，并且然后在流程中抑制它们、关闭中心支架或重复精切削)

-通过将测量结果与套管螺纹连接部处的扭矩进行比较来提高质量。

-通过将测量结果与其他机器的测量结果进行比较来提高质量(NDT(non-destructive testing：非破坏性试验)测试)：这里是磁粉检验)

收集到的数据还可用于质量评估和质量记录以及用于下游的流程，并且可以借助例如相应的调节算法或人工智能与这些机器的数据相关联。这些下游的流程和关联可以是：

-识别套管的污染并区分故障

-将测量数据与之前收集的数据相关联，以便例如检测套管中的应力来自何处，该应力导致螺纹切削后出现椭圆度。这样或许可以改进淬火策略

-通过将测量结果与套管螺纹连接部处的扭矩进行比较来提高质量

-通过将测量结果与其他机器的测量结果进行比较来提高质量(NDT：这里是磁粉检验)

此外，测量仪器还可以具有机械的和/或光学的碰撞保护。

为了检测特殊的螺纹轮廓区域(例如底切轮廓)，可以将传感器定位在内螺纹内的特定部位处，并且可以用检流计扫描器来扫描部分区域。

替代地或附加地，还可以规定多次执行穿过螺纹的行程，光以不同的角度经过检流计镜子(例如，90°角度、然后100°、然后110°，或者70°或80°)，并且叠加测量信号的曲线。目的是用足够强的光信号测量每个螺纹轮廓区域。

尽管本发明当前主要针对内螺纹的测量，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，根据本发明的组件和方法当然也可以用于外螺纹的测量。

附图说明

下面参考附图根据实施例来解释本发明。其中：

图1示出了根据本发明的组件的示意图，

图2示出了根据本发明的组件的作为所谓检流计扫描器(Galvo-Scanner)的另一光学元件，

图3示出了图解光学元件和传感器相对于彼此的布置方式的图示，

图4示出了基于组件的测量数据而创建的二维的螺纹轮廓，以及

图5示出了关于金属管件的套管端部的布置方式的示意图。

具体实施方式

图1所示的组件1示出了测试结构并包括具有光具座3的支架2，可以在行驶轨道4上线性地调整该光具座。在光具座3上，彩色共焦传感器5和呈检流计扫描器6形式的光学元件布置在光轴7中。检流计扫描器6被构造为镜子(Spiegel)9，其受到双重万向节式的支承并且可以借助致动器在万向节元件10中绕两个彼此垂直取向的轴线进行调整。检流计扫描器6和光学传感器5均以可在光具座3上调整的方式布置在保持器8处。检流计扫描器6和光学传感器5的可调整性用于调校目的。在测量行程期间，光学传感器5至检流计扫描器6沿光轴7的距离可以是固定且恒定的。适当地，在可垂直于光轴7调校的意义上，用于检流计扫描器6的保持器8和用于光学传感器的保持器8都是可调整其高度的。

在图2中示意性地示出了检流计扫描器6，从图2可以看出，该检流计扫描器具有直径相对小的圆形的镜子9，该镜子可枢转地支承在两个万向节元件10中。

图3示出了光学传感器5和检流计扫描器6沿系统的光轴7的相对布置。

图4示出了从沿金属管件11的纵轴线的测量行程(见图5)获得的记录内容的二维测量记录。

如从图5可看出的那样，例如具有内螺纹12的金属管件11可以位置固定地布置在未示出的测量台中，而光具座3在行驶轨道4上移动到金属管件11的内部中，且在光具座3的线性运动期间记录内螺纹12的测量数据。在此，检流计扫描器的镜子9可以分别相对于光轴7成一定角度。替代地或附加地可以规定，在测量行程期间相对于金属管件11的纵轴线调整镜子9，以便执行对内螺纹12的部分圆周的扫描。

虽然上文描述的示例涉及具有套管端部的金属管件11，但是本发明应理解为也可以在具有彼此对置布置的两个内螺纹的套管处执行该方法。

对本领域技术人员还显而易见的是，也可以在外螺纹处执行该方法。

如从图4和图5的结合可看出的那样，内螺纹12被构造为具有底切的螺纹牙侧面的锥形的内螺纹。

由组件1、更确切地说由光学传感器5检测的测量数据将被送到附图标记为13的控制设备，该控制设备执行光学信号的干涉测量评估。控制设备13将所评估的距离数据传递至在计算机14上运行的软件，以便显示二维或三维的轮廓。在计算机14上可以显示要测量的金属管件11的数字孪生。

附图标记列表

1 组件

2 支架

3 光具座

4 行驶轨道

5 光学传感器

6 检流计扫描器

7 光轴

8 保持器

9 镜子

10 万向节元件

11 金属管件

12 内螺纹

13 控制设备

14 计算机。

Claims (17)

1.用于对螺纹进行光学测量、尤其是对套管处或金属管件(11)的套管端部处的内螺纹(12)进行测量的组件(1)，所述组件包括:

至少一个光学传感器(5)；

至少一个另外的光学元件，所述至少一个另外的光学元件能够相对于所述光学传感器(5)进行调整，并且以沿光轴(7)距所述传感器有一确定距离的方式布置在光具座(3)上，并且构造用于对所述内螺纹(12)进行光学扫描；以及

用于检测和/或存储和/或评估由所述传感器记录的测量数据的器件。

2.根据权利要求1所述的组件(1)，其特征在于，所述组件还包括至少一个支架(2)，所述支架容纳所述光具座(3)，其中，所述光具座(3)和/或所述支架(2)能够至少线性地沿所述金属管件(11)的纵轴线或者与所述金属管件(11)的纵轴线平行地调整。

3.根据权利要求1或2所述的组件(1)，其特征在于，所述传感器构造为共焦传感器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述光学元件包括至少一个镜子(9)，所述镜子能够绕至少一条轴线、优选地绕两条轴线进行调整。

5.根据权利要求4所述的组件(1)，其特征在于，所述光学元件包括至少一个致动器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述光学元件构造为检流计扫描器(6)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述光具座(3)和/或所述支架(2)能够借助至少一个线性驱动器来调整。

8.用于对螺纹进行光学测量、尤其是对套管处或金属管件(11)的套管端部处的内螺纹(12)进行测量的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

A)提供具有至少一个光学传感器(5)和至少一个另外的光学元件的光学系统，所述光学传感器和所述光学元件布置成沿光轴(7)彼此相距一确定距离；

B)沿所述金属管件(11)或所述套管的纵轴线或与所述金属管件(11)或所述套管的纵轴线平行地调整所述光学系统，优选地在所述金属管件(11)内进行调整，或者沿所述金属管件(11)或所述套管的纵轴线或与所述金属管件(11)或所述套管的纵轴线平行地相对于位置固定地布置的系统调整所述金属管件(11)；以及

C)在所述光学系统的线性调整期间和/或在所述光学元件相对于所述光轴(7)成一角度地旋转期间扫描所述内螺纹(12)；以及

D)检测和/或存储和/或处理由所述传感器检测的测量值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光学系统包括至少一个检流计扫描器(6)，所述检流计扫描器在所述光学系统的线性调整期间扫描所述内螺纹(12)的至少部分圆周。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，检测和/或示出螺纹导程的轮廓。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，提供所述光轴(7)在所述金属管件(11)内或者在所述套管内的自动对中。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括所述传感器的暗校准。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其特征在于，用参考构件来进行传感器校准。

14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于，通过比较由所述光学传感器检测的光强度信号来进行污染控制。

15.根据权利要求7至14中任一项所述的方法，其特征在于，由所述传感器检测的测量数据用于导出用于控制和/或调节机床的控制命令，所述机床构造用于通过切削加工在至少一个金属管件(11)的至少一个端部处或者在套管中制造内螺纹(12)。

16.根据权利要求7至15中任一项所述的方法，其特征在于，规定通过检流计扫描器以成不同角度的光对内螺纹进行多重扫描，并且优选地将多次扫描的信号进行叠加。

17.根据权利要求7至16中任一项所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至6中任一项所述的组件(1)。