石油鉆桿自動檢修一體化系統的研究

王霄鵬，崔文魁，李文河，李健，馬曄

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術服務分公司，河北 滄州 062552）

鉆桿是石油鉆井施工的重要工具，其有效性會直接影響鉆井施工質量。鉆桿回廠檢修是必不可少的環節。目前，國內石油鉆桿回廠檢修通常包括清洗、人工檢驗、無損檢測、分級、螺紋車修等工序，需要較多的工房、場地進行相關作業。早期的布局形式較為分散，導致重復倒運多，自動化程度低，影響工作效率。本文討論了一種適用于鉆桿規格為2-7/8″～5-1/2″的自動檢修一體化系統，將以上工序集成為一個整體系統，依靠提升設備自動化水平，各工序之間傳輸的自動化控制、信息集成及中央控制系統，形成類似流水線式作業模式，從而達到減少中間倒運環節，節約成本；減少交叉作業，降低安全風險；自動化作業，提高生產效率，降低勞動強度等目標。

1 研究方案總體簡介

工藝流程簡介如圖1。

圖1

2 各部分工作原理

2.1 清洗

（1）清洗流程。

待清洗鉆桿→鉆桿外壁清洗→內、外螺紋清洗→內壁清洗→控水→清洗下料

（2）外壁清洗機構。采用電機與刷輪分體布置，整體自行浮動結構。浮動刷洗機構壓緊在鉆桿兩側，壓緊力根據刷洗需要無級調整，刷洗輪間隙根據鉆桿規格無級調節，在鉆桿接頭正常通過的同時，達到接頭和外壁全范圍的清洗要求，清洗均勻，無螺旋殘留。刷洗機構放置在固定罩殼內，采用濕法刷洗，避免污水飛濺、降低粉塵污染。

（3）內、外螺紋清洗機構。由驅動輥輪、內螺紋清洗裝置、外螺紋清洗裝置等組成。清洗時，驅動輥輪帶動鉆桿旋轉，清洗裝置通過對射傳感器定位鉆桿螺紋位置，然后沿螺紋縱向自動變速行走，采用高壓射流對內、外螺紋表面及根部同時均勻清洗，且不損傷內涂層。內外螺紋清洗裝置采用密閉防護措施，避免高壓水、污水外噴外泄。

（4）內壁清洗及控水機構。雙根鉆桿同時上料，一次內洗循環完成2根鉆桿內壁清洗。雙噴桿邊縱向移動，邊周向高速旋轉，與行走速度自動匹配，使噴頭射流作用面積均勻和全面，噴頭射流壓力限定在內涂層完好的最低射流壓力內。清洗區域密閉在罩殼內，避免高壓水、污水外噴外泄。采用雙桿同時下料，同時自動控水，控水時間按需要調整。

（5）水循環系統。設置四級凈化處理，以上各清洗單元產生的污水經過沉淀水溝，統一回流到三級沉淀池，沉淀過濾后，去除油污和較大的機械顆粒雜質，供外壁清洗機使用。部分三級凈化水進入第四級處理單元，進行精細凈化處理，去除水體中懸浮的較小顆粒雜質。四級處理的凈化水，存儲在專門凈水箱中，供內壁和螺紋清洗的高壓泵使用。如此始終循環，通過自來水管路引入自來水，進入凈水池或凈水箱，對循環水系統的蒸發損耗進行定期補充。

（6）自動控制系統。采用PLC控制系統，實現全流程自動運行和故障診斷報警。數據收集系統將鉆桿位置、工作壓力、清洗時間、運行狀態、視頻信號等各種信息反饋到控制主機，在電腦界面自動顯示，操作人員通過控制臺對全部作業流程進行控制和監控。

2.2 人工檢驗

（1）備料暫存管臺?？紤]到人工檢驗與鉆桿清洗兩道工序存在不同的工作方式和效率，之間設置一段備料暫存管臺，采用式（1）計算管臺理論傾斜角度，式中δ為滾動摩阻系數，R為鉆桿管體半徑（mm），θ為管臺理論傾斜角度。

由于鉆桿滾動碰撞產生較大噪音，不利于安全生產與人員健康，備料暫存管臺設置降噪裝置。

當鉆桿清洗完畢進入緩沖管臺后，接近傳感器檢測到鉆桿信號，啟動上料機構進入降噪裝置，由擋塊擋住快速滾動的鉆桿，待鉆桿靜止后由驅動電機帶動鏈條行走一個位移（約305mm）；第二根鉆桿執行第一步操作，一直到設定鉆桿數量執行第一步操作，然后同步執行人工檢驗工位下料一根鉆桿，從緩沖管臺上料一根鉆桿。

（2）人工檢驗。由驅動輥輪、自動測量裝置、數據收集裝置等組成。設置雙工位，驅動輥輪帶動鉆桿勻速緩慢旋轉，兩名操作人員同時對鉆桿內、外螺紋進行目視檢驗，對需要修理的螺紋進行標識。

2.3 固定式鉆桿漏磁綜合檢測系統

固定式鉆桿漏磁綜合檢測系統主要由管體橫向檢測主機（包括磁化器 、探頭板和探鞋）、端區檢測主機（包括磁化器 、探頭板和探鞋）、氣動壓緊機構、消磁器、輸送作業線（浮動傳送輪）、氣動上下料機構、打標器、標定管等組成，還包括PLC控制系統、計算機系統與檢測軟件等。鉆桿經漏磁綜合檢測后，管體的級別信號發送到噴標裝置的分級系統的信號收集裝置。

2.4 級別標識

級別標識系統是一套可以根據鉆桿漏磁綜合檢測及鉆桿接頭的判級結果，綜合計算后取環比最低等級認定，然后根據預設的級別顏色進行全自動噴涂色環的一套裝置。

2.5 自動分揀

鉆桿經自動噴標后，傳輸到自動分揀區域。此區域在鉆桿兩側設置2套視覺傳感器，采用側向照射方式，識別內、外螺紋端面顏色標識，如圖2。當檢測到顏色后，會自動與軟件模板內預先設定的顏色進行比對，識別到的顏色會通過PROFINET網絡傳輸給集控PLC。程序中將翻料機構進行預先編碼，當識別裝置給出顏色檢測結果后，PLC立即將該識別信號轉化為目標翻料機構編碼，控制翻料機構動作，將鉆桿翻到進入機加廠房一側。反之，系統會將鉆桿翻到自動分級一側。

圖2 側向式自動識別裝置簡圖

2.6 螺紋車修

進入機加車間前，在輸送線安裝2套側向自動識別裝置，用于判斷內外螺紋是否同時有修復標識。進入機加車間內的輸送線末端安裝有1套側向自動識別裝置，該裝置用于判斷末端（鉆桿內螺紋）有無修復標識，用于將鉆桿按照內、外螺紋翻入不同的數控車床加工線。數控車床系統為Fanuc 0i-TD系統，使用我單位自主研發并已取得實用新型專利的螺紋水平對刀尺，配合螺紋修復程序，對鉆桿螺紋進行自動車修。

2.7 自動分級

自動識別裝置安裝于成品鉆桿輸送線靠近分級管臺的前方，兩臺輥輪之間的位置。鉆桿在通過自動識別裝置時，安裝在內的視覺傳感器會自動觸發，對鉆桿進行顏色識別檢測，并自動與軟件模板內設定的顏色進行比對，識別到的顏色會通過PROFINET網絡傳輸給集控PLC。

程序中將分級管臺進行預先編碼，當識別裝置給出顏色檢測結果后，PLC立即將該識別信號轉化為目標管臺編碼。當鉆桿每到達一個管臺前時，系統會自動傳遞該鉆桿的目標管臺編碼到當前管臺編碼緩存器內，當管臺編碼緩存器內的管臺編碼與當前管臺實際編碼相符時，翻料機構動作，將鉆桿翻到管臺上。反之，系統會將目的管臺編碼向后傳遞。

傳感器顏色判定將結合面積法與顏色識別法共同判斷目標色環的顏色，準確度較單一算法更加高效穩定。

3 結語

本文設計的鉆桿自動檢修一體化系統，實現鉆桿清洗、人工檢驗、無損檢測、螺紋車修、分級等在同一系統內完成，中間各個工藝環節采用一體化全自動控制，實現了鉆具的流水線作業、批量化作業，提高了作業效率。該系統以全線的數據采集為基礎，搭建了一個高度集成的可視化系統監控平臺，實現生產過程、設備狀態的在線監控，同時具備鉆桿位置、設備設施異常報警、安全互鎖、一鍵緊急停止等功能，安全性好。該項成果的應用，將會產生良好的經濟及社會效益。