CN1588035A - 管杆螺纹缺陷检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管杆螺纹缺陷检测传感器。其内套的左端装有磁化线圈，内套的中部套有可沿其外表面滑行的探头架。探头采用可浮动式安装在探头架上，且沿圆周方向均匀、对称分布。内套的中部开有探头导向槽，各探头伸入对应的探头导向槽内，在探头架的带动下，各探头在相应的探头导向槽内滑动，各探头内均装有磁感应元件。内套的右端内安装有导磁加长管，其中部开有法兰导向槽，法兰位于导磁加长管内，法兰的臂通过延长臂与探头架相连，直线电机的轴与法兰的轴心相连。采用该检测传感器可以精确检测出管杆螺纹在生产过程中容易产生的各种主要缺陷，检测精度高、效率高，从而解决了油田上一直以来所面临的一项生产技术难题，有着广阔的应用前景。

Description

管杆螺纹缺陷检测传感器

技术领域

本发明属于数字化磁性无损检测仪器，尤其适用于检测油田用油管(杆)、钻杆螺纹部分缺陷的检测。

技术背景

油管(杆)以及钻杆是油田采油、钻井过程中重要部件，用量很大，而这些管杆的螺纹部位与杆体一样，在长期使用过程中会因为各种原因产生不同类型的缺陷。引起油管螺纹产生各种缺陷的主要原因有：预紧力不足、材料缺陷或热处理质量不符合要求、螺纹加工质量差、台肩端面与外螺纹中心线的垂直度误差大、台肩侧面与接箍端面接触不紧、腐蚀、抽汲载荷超载、长期承受交变载荷等。由以上原因引起的油管螺纹区的缺陷主要表现为螺纹断扣、螺纹磨损、根部裂缝、粘扣以及油管螺纹区锥度的变化等。这些缺陷如果不及时发现，将影响采油作业的安全，造成设备损伤或人员伤亡。目前油田上使用的主要检测方法仍是目测法和磁粉检测法。目视检测法主要靠井口作业工人的肉眼进行观察、凭经验来判断螺纹区的缺陷；磁粉检测方法是最早的一种磁检测方法，它是检测人员靠肉眼根据荧光磁粉在工件缺陷处漏磁场作用下所形成的形状来判断螺纹部分缺陷的，这两种方法检测前都需要对螺纹表面进行清洗，操作工人的劳动强度大，工作环境比较艰苦，而且检测结果的可靠性比较差，只能检测那种比较明显的缺陷，不能满足准确性、适时性检测的要求。于2003年.09日.03公开的公告号为CN2570761Y的中国实用新型专利公开了一种油管螺纹检测仪，它只是对检测仪的结构上做了简单的说明，而且采用的是旋转式的结构。

总之，油田用管杆螺纹由于其结构上的特殊性，曲面交贯曲线较多，螺纹本身表面不平整，检测区域小，因此到目前为止还没有一种有效、可靠的检测方法，这也是采油、钻井过程中一直未能克服的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种管杆螺纹缺陷检测传感器，通过它可以快速、准确地检测出管杆螺纹的各类缺陷。

本发明提供的管杆螺纹缺陷检测传感器，包括探头，其特征在于：内套的左端装有磁化线圈，磁化线圈的磁化位置偏离被检测的螺纹区域并且位于靠近螺纹的杆体部分；内套的中部套有可沿其外表面滑行的探头架，探头采用可浮动式安装在探头架上，且沿圆周方向均匀、对称分布，内套的中部开有与探头个数相同、位置对应的探头导向槽，各探头伸入对应的探头导向槽内，在探头架的带动下，各探头在相应的探头导向槽内滑动，各探头内均装有磁感应元件，两个对称分布的磁感应元件之间两两做差分组合，并输出检测信号；内套的右端内安装有导磁加长管，导磁加长管位于被测螺纹的端部；导磁加长管的中部开有法兰导向槽，法兰位于导磁加长管内，法兰的臂通过延长臂与探头架相连，直线电机的轴与法兰的轴心相连。

本发明根据漏磁检测原理设计，克服了现有技术在使用过程中由于端部效应、提离效应所造成的局限，可以对油管、抽油杆、钻杆内外螺纹的缺陷进行快速、准确检测。其次，本发明采用端部夹紧及磁化线圈磁场的吸力自动定心定位的方式，使被测管杆、检测探头以及导磁杆同轴，很好地保证了检测的精度与准确性。此外，本发明采用直线扫描的方式，可实现对管杆螺纹部分的全面检测，更加符合实际检测的需要。本发明所能检测的缺陷类型包括：1螺纹断扣；2丝扣磨损；3根部裂纹；4螺纹段锥度的变化。总之，本发明使漏磁检测这种新型的无损检测方法的应用范围进一步扩展，解决了油田上一直以来所面临的一项生产技术难题。

附图说明

图1为管杆螺纹漏磁检测传感器的剖面结构示意图；

图2为管杆螺纹漏磁检测传感器的元件分布示意图

图3为整个管杆螺纹检测仪的系统组成；

图4为无缺陷油管螺纹的检测信号波形图；

图5为油管丝扣磨损的检测信号波形图；

图6为根部有深0.3mm宽0.10mm裂纹的油管螺纹检测信号波形图；

图7为螺纹根部钻有Φ2.4mm通孔的油管螺纹的检测波形。

具体实施方式

如图1所示，内套15的左端装有磁化线圈3，探头架8位于内套15的中部、并可沿其外表面滑行。八个探头6(偶数个即可)采用浮动式安装在探头架8上，且沿圆周方向均匀、对称分布，内套15的中部开有与探头个数相同、位置对应的探头导向槽18，各探头伸入对应的探头导向槽内，在探头架8的带动下，各探头在相应的探头导向槽18内滑动。每个探头内均装有磁感应元件21，磁感应元件21可以是霍尔元件、磁感应线圈等。上述两个对称分布的磁感应元件之间两两做差分组合，从而输出四路检测信号。探头架8、探头6、内套15以及磁感应元件21之间的位置关系如图2所示。

调节每个探头6的径向位置，使它们尽可能地贴近被测螺纹表面，以达到最佳的检测效果。

导磁加长管10伸入内套15的右端内，并通过螺钉与内套15固定连接。导磁加长管10采用高导磁材料，在螺纹部分形成一段相对均匀的磁化区。导磁加长管10的中部开有法兰导向槽20，法兰17位于导磁加长管10内并可沿法兰导向槽20滑动。法兰17通过延长臂16与探头架8相连。法兰17、内套15、导磁加长杆10之间的位置关系如图3所示。直线电机14的轴与法兰17的轴心相连，直线电机14带动法兰17的臂在法兰导向槽20中滑动，同时通过随之滑动的探头架8带动各探头在探头导向槽18中滑动，从而实现探头6对被测螺纹部分的扫描。

上述结构中，探头架8与内套15采用的是间隙配合，以内套15的外表面为滑行表面，探头6在探头导向槽中滑动、法兰17的臂在法兰导向槽20中滑动，从而实现了扫描运动的平稳，保证了检测的精度。

为保证检测传感器各部件之间的同轴度，内套15左端设有左挡板2，导磁加长管10的右端设有右挡板12，两档板通过连接杆4相连，把整个检测传感器连为一体。由行程与被测螺纹9长度相当的直线电机14通过固定在右挡板12上的后罩13定位，保证电机的轴心与整个检测传感器的轴心同轴，从而更一步提高了传感器的检测精度。

检测传感器在使用的过程中，既可以采用等时间采样，也可以采用等空间采样。在采用等空间采样时，在探头架8上安装有光电编码器7，它可随探头架一起移动，光电编码器7的轴上绕有皮带11，皮带11的两端分别固定在左挡板2和右挡板12上。光电编码器7随着探头架8一起作直线运动，光电编码器的转动轴在皮带11的作用下转动，根据编码器的性能，转动轴每旋转一周，发出N个脉冲信号，从而控制后续的计算机并口采集N个数据。采用等时间采样时，不需要连接光电编码器7的信号输出端也可以不安装光电编码器。采集的数据进入后续的电路，进行相应的处理，最终输出检测结果。

检测过程中，检测传感器套到被测管杆螺纹9上，由内套15与油管的杆体1表面定位，并使磁化线圈3位于被测管杆杆体靠近螺纹的位置。磁化线圈3通电后，在偏离螺纹的区域对检测区域进行磁化，在螺纹区域形成轴向的磁化场，周向分布的磁感应元件对磁化后的螺纹区域进行扫描，获取漏磁场信号，送入后续的信号采集处理电路以及相应的信号分析系统。导磁加长杆10在励磁场的作用下，与管杆螺纹端部紧密接触，使励磁场在端部不会泄漏，而是沿着导磁加长杆继续前进，从而在螺纹区形成一段比较均匀的磁化区域，实现对管杆螺纹部分的均匀磁化。

图3为由上述管杆螺纹漏磁检测传感器所组成的一套管杆螺纹检测仪，整个检测仪由漏磁检测传感器I、信号处理器II、计算机信号分析系统III三部分组成。由检测传感器输出的四路检测信号A1，B1，C1，D1，分别经过信号处理器里的放大电路A2，B2，C2，D2放大、经滤波电路A3，B3，C3，D3滤波、经信号调理电路A4，B4，C4，D4对信号进行增益调整、零点调节、温度补偿以及电平偏置等处理后进入四通道信号采集板E，然后通过计算机并口通信接口F进入计算机信号分析系统G，对检测信号进行实时的分析、显示、诊断与识别、输出打印诊断结果。

图4为该仪器检测到的无缺陷油管螺纹的四通道信号波形图，从图中可以看出，无损螺纹的检测信号是具有一定周期的周期信号，信号中除了由螺纹产生的漏磁信号外，基本上没有别的奇异信号。

图5为从左往右数第六扣处出现丝扣磨损的油管螺纹的检测波形，从波形中可以看出，在第三通道第六个螺纹信号上有一个波峰比较大的奇异信号，这是丝扣磨损缺陷信号叠加到螺纹信号上的信号的波形，根据奇异信号的峰峰值、波宽等参数可以很明显得分辨出螺纹缺陷的特征。

图6为从右往左数第10个螺纹根部有一段用线切割成的0.1mm宽×0.3mm深的裂纹模拟缺陷的检测信号波形。

图7为螺纹根部钻有Φ2.4mm通孔的油管螺纹的检测波形。

以上缺陷都是根据磁性检测的标准以及用户的使用要求制作的，基本上模拟了现场的一些缺陷类型，而且检测灵敏度也远远大于实际检测过程中能造成管杆危害的缺陷类型。从这些缺陷以及其相应的检测信号波形来看，该管杆螺纹检测仪完全能够满足生产以及客户的要求，方便适用，准确可靠。

Claims (3)

1、一种管杆螺纹缺陷检测传感器，包括探头，其特征在于：内套(15)的左端装有磁化线圈(3)，磁化线圈(3)的磁化位置偏离被检测的螺纹区域并且位于靠近螺纹的杆体部分；内套(15)的中部套有可沿其外表面滑行的探头架(8)，探头(6)采用可浮动式安装在探头架(8)上，且沿圆周方向均匀、对称分布，内套(15)的中部开有与探头个数相同、位置对应的探头导向槽(18)，各探头伸入对应的探头导向槽内，在探头架(8)的带动下，各探头在相应的探头导向槽(18)内滑动，各探头内均装有磁感应元件(21)，两个对称分布的磁感应元件之间两两做差分组合，并输出检测信号；内套(15)的右端内安装有导磁加长管(10)，导磁加长管(10)位于被测螺纹的端部；导磁加长管(10)的中部开有法兰导向槽(20)，法兰(17)位于导磁加长管(10)内，法兰(17)的臂通过延长臂(16)与探头架(8)相连，直线电机(14)的轴与法兰(17)的轴心相连。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：内套(15)左端设有左挡板(2)，导磁加长管(10)的右端设有右挡板(12)，两档板通过连接杆(4)相连；直线电机(14)通过固定在右挡板(12)上的后罩(13)定位。

3、根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：在探头架(8)上安装有光电编码器(7)，其轴上绕有皮带(11)，皮带(11)的两端分别固定在左挡板(2)和右挡板(12)上。

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