石油鉆桿綜合檢測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研究

李文河，崔文魁，王霄鵬，張紅梅，向東

（渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司任丘項(xiàng)目部，河北 任丘 062552）

1 前言

石油鉆桿是石油鉆井作業(yè)中的重要組成部分，鉆桿在石油鉆井過(guò)程中受到了各種作用力和化學(xué)腐蝕的損壞，鉆桿的可靠性直接影響鉆井施工的質(zhì)量。鉆桿的檢測(cè)探傷是必不可少的環(huán)節(jié)，通常包括管體漏磁檢測(cè)、端區(qū)超聲波檢測(cè)、接頭人工檢驗(yàn)清洗和自動(dòng)分級(jí)等工序。目前，鉆桿綜合檢測(cè)中，漏磁、超聲波、尺寸檢測(cè)和最終標(biāo)識(shí)分級(jí)單獨(dú)作業(yè)，分別使用便攜式設(shè)備和人工測(cè)量，重復(fù)環(huán)節(jié)多，無(wú)法高效完成大批量作業(yè)。工序多、效率低、人機(jī)交叉作業(yè)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、自動(dòng)化水平低。本文研究的內(nèi)容是依靠提升設(shè)備自動(dòng)化水平，各工序之間傳輸?shù)目刂啤⑿畔⒓杉爸醒肟刂葡到y(tǒng)，將以上不同的檢測(cè)項(xiàng)目和環(huán)節(jié)集成為一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，適用于鉆桿規(guī)格為2-3/8″～5-7/8″的綜合檢測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，解決以上難題的同時(shí)高質(zhì)量高效率的實(shí)現(xiàn)鉆桿綜合檢測(cè)。

2 研究方案總體簡(jiǎn)介

圖1為工藝流程簡(jiǎn)介。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)介

3 工作原理

3.1 輸入

3.1.1 鉆桿的清洗是綜合檢測(cè)前的重要環(huán)節(jié)

3.1.2 備料暫存管臺(tái)

清洗后的鉆桿下料到待檢臺(tái)，設(shè)置兩套傳感器，一套接近傳感器，檢測(cè)鉆桿到位信號(hào)，控制上料機(jī)構(gòu)動(dòng)作，為后續(xù)工序提供鉆桿；一套量滿識(shí)別傳感器，檢測(cè)到管臺(tái)鉆桿存量達(dá)到設(shè)定位置，清洗后的鉆桿停止下料到待檢臺(tái)，待狀態(tài)恢復(fù)后，再進(jìn)行鉆桿輸出工作。

3.2 接頭尺寸自動(dòng)測(cè)量

3.2.1 備料暫存管臺(tái)（圖2）

圖2 備料暫存管臺(tái)

考慮到人工檢驗(yàn)的工作方式和效率，備料暫存管臺(tái)較長(zhǎng)，為了有效地降低鉆桿滾動(dòng)速度，我們采用式（1）計(jì)算管臺(tái)理論傾斜角度，式中δ為滾動(dòng)摩阻系數(shù)，R為鉆桿管體半徑（mm），θ為管臺(tái)理論傾斜角度。

由于鉆桿滾動(dòng)碰撞產(chǎn)生較大噪音，不利于安全生產(chǎn)與人員健康，備料暫存管臺(tái)設(shè)置降噪裝置，降噪裝置既可以有效的降低噪聲污染，也可以保證安全生產(chǎn)。當(dāng)鉆桿進(jìn)入緩沖管臺(tái)后，接近傳感器檢測(cè)到鉆桿信號(hào)，啟動(dòng)上料機(jī)構(gòu)進(jìn)入降噪裝置，由擋塊擋住快速滾動(dòng)的鉆桿，待鉆桿靜止后由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈條行走一個(gè)位移；第二根鉆桿執(zhí)行第一步操作，一直到設(shè)定鉆桿數(shù)量執(zhí)行第一步操作，然后同步執(zhí)行人工檢驗(yàn)工位下料一根鉆桿，從緩沖管臺(tái)上料一根鉆桿。

3.2.2 接頭尺寸的測(cè)量和分級(jí)

（1）由驅(qū)動(dòng)輥輪、自動(dòng)測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)收集裝置等組成。設(shè)置雙工位，驅(qū)動(dòng)輥輪帶動(dòng)鉆桿勻速緩慢旋轉(zhuǎn)，兩名操作人員同時(shí)對(duì)鉆桿內(nèi)、外螺紋進(jìn)行目視檢驗(yàn)，并監(jiān)控接頭尺寸自動(dòng)測(cè)量裝置。

（2）自動(dòng)測(cè)量裝置。以內(nèi)螺紋接頭為例，如圖3。

圖3 內(nèi)螺紋接頭自動(dòng)測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖

自動(dòng)測(cè)量裝置用于檢測(cè)鉆桿接頭的直徑及長(zhǎng)度，該裝置通包括1套直線模組機(jī)構(gòu)、1套檢測(cè)支架，1套激光測(cè)距傳感器及位置傳感器組成。

檢測(cè)支架上安裝有激光測(cè)距傳感器，2只激光測(cè)距傳感器垂直對(duì)射安裝，直線模組驅(qū)動(dòng)該檢測(cè)支架沿接頭方向移動(dòng)，激光傳感器感知到接頭直徑方向尺寸變化，確定測(cè)長(zhǎng)計(jì)數(shù)A點(diǎn)和B點(diǎn)，根據(jù)式（2）得出接頭長(zhǎng)度值（mm）。式中，L為接頭長(zhǎng)度（mm），L1為初始長(zhǎng)度值（mm），L2為末端長(zhǎng)度值（mm）。

同理，根據(jù)式（3）得出接頭直徑值（mm）。式中，ΦD為接頭直徑（mm），H為兩只測(cè)距傳感器之間的絕對(duì)距離（mm），h1+h2為兩只測(cè)距傳感器檢測(cè)距離之和（mm）。

直徑測(cè)量與長(zhǎng)度測(cè)量同步進(jìn)行，數(shù)據(jù)自動(dòng)生成。鉆桿接頭分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先輸入到系統(tǒng)內(nèi)，測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)比對(duì)，得出鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭級(jí)別數(shù)據(jù)，取最低級(jí)別生成鉆桿接頭的最終級(jí)別信號(hào)，發(fā)送到噴標(biāo)裝置的分級(jí)系統(tǒng)的信號(hào)收集裝置。

3.3 鉆桿漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

鉆桿漏磁檢測(cè)設(shè)備是一種檢測(cè)鉆桿中表面或內(nèi)部裂紋、孔洞、腐蝕坑和壁厚減薄型缺陷的計(jì)算機(jī)化無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。采用了局部缺陷檢測(cè)傳感器和壁厚減薄型檢測(cè)傳感器，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后由計(jì)算機(jī)采集和判別，檢測(cè)的結(jié)果可顯示、存儲(chǔ)、打印。鉆桿漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要由管體橫向檢測(cè)主機(jī)（包括磁化器、探頭板和探鞋）、端區(qū)檢測(cè)主機(jī)（包括磁化器、探頭板和探鞋）、氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)、消磁器、輸送作業(yè)線（浮動(dòng)傳送輪）、氣動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)、打標(biāo)器、標(biāo)定管等組成，還包括PLC控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與檢測(cè)軟件等。

端區(qū)檢測(cè)與管體檢測(cè)的主要不同點(diǎn)是管體壁厚均勻，壁厚薄，端區(qū)加厚帶壁厚不均勻，壁厚逐漸變厚，鉆桿漏磁檢測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆桿管體和鉆桿端區(qū)加厚過(guò)渡帶的檢測(cè)工作，鉆桿管體漏磁檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)和鉆桿端區(qū)加厚過(guò)渡帶漏磁檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行集中處理，通過(guò)單屏顯示鉆桿管體和端區(qū)的漏磁檢測(cè)圖像，便于監(jiān)控人員快速評(píng)價(jià)檢測(cè)結(jié)果。

鉆桿經(jīng)漏磁檢測(cè)后，管體和端區(qū)的級(jí)別信號(hào)綜合判斷后，取兩者最低級(jí)別生成鉆桿本體的最終級(jí)別信號(hào)，發(fā)送到噴標(biāo)裝置的分級(jí)系統(tǒng)的信號(hào)收集裝置。

3.4 自動(dòng)噴涂分級(jí)標(biāo)識(shí)

自動(dòng)噴涂分級(jí)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)是一套可以根據(jù)鉆桿漏磁檢測(cè)和鉆桿接頭測(cè)量的判級(jí)結(jié)果，綜合計(jì)算后取最低等級(jí)認(rèn)定，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的級(jí)別顏色進(jìn)行全自動(dòng)噴涂色環(huán)的一套裝置。該自動(dòng)標(biāo)識(shí)裝置主要由分級(jí)系統(tǒng)、供漆系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、廢氣凈化系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)及升降旋轉(zhuǎn)輥輪組成，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

鉆桿經(jīng)接頭測(cè)量和漏磁檢測(cè)后，分級(jí)系統(tǒng)采集鉆桿漏磁檢測(cè)級(jí)別信號(hào)與鉆桿接頭測(cè)量的級(jí)別信號(hào)綜合計(jì)算后取最低等級(jí)判定鉆桿級(jí)別。待其傳輸?shù)缴h(huán)噴涂工位后，末端定位傳感器檢測(cè)到鉆桿尾端脫離信號(hào)，旋轉(zhuǎn)輥輪升起帶動(dòng)鉆桿緩慢旋轉(zhuǎn)，根據(jù)分級(jí)系統(tǒng)信號(hào)確定顏色，噴槍噴涂一圈完整、均勻的色環(huán)，旋轉(zhuǎn)輥輪落下，輸送輥道啟動(dòng)，慢速行進(jìn)中烘干，然后進(jìn)入到自動(dòng)識(shí)別分揀工序。

3.5 自動(dòng)識(shí)別分級(jí)輸出

鉆桿經(jīng)自動(dòng)噴標(biāo)烘干后，自動(dòng)分揀翻轉(zhuǎn)到輸出作業(yè)線。自動(dòng)識(shí)別裝置安裝于鉆桿輸出線靠近分級(jí)管臺(tái)的前方，兩臺(tái)輥輪之間的位置，如圖5所示。

圖5 通過(guò)式自動(dòng)識(shí)別裝置簡(jiǎn)圖

鉆桿在通過(guò)自動(dòng)識(shí)別裝置時(shí)，安裝在箱體內(nèi)的視覺(jué)傳感器會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，對(duì)鉆桿進(jìn)行顏色識(shí)別檢測(cè)，并自動(dòng)與軟件模板內(nèi)設(shè)定的顏色進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別到的顏色會(huì)通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)傳輸給集控PLC。傳感器顏色判定將結(jié)合面積法與顏色識(shí)別法共同判斷目標(biāo)色環(huán)的顏色，準(zhǔn)確度較單一算法更加高效穩(wěn)定。

程序中將分級(jí)管臺(tái)進(jìn)行預(yù)先編碼，當(dāng)識(shí)別裝置給出顏色檢測(cè)結(jié)果后，PLC立即將該識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)管臺(tái)編碼。當(dāng)鉆桿每到達(dá)一個(gè)管臺(tái)前時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)傳遞該鉆桿的目標(biāo)管臺(tái)編碼到當(dāng)前管臺(tái)編碼緩存器內(nèi)，當(dāng)管臺(tái)編碼緩存器內(nèi)的管臺(tái)編碼與當(dāng)前管臺(tái)實(shí)際編碼相符時(shí)，翻料機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將鉆桿翻到成品分級(jí)管臺(tái)上。反之，系統(tǒng)會(huì)將目的管臺(tái)編碼向后傳遞，最終每根鉆桿都會(huì)按照檢測(cè)級(jí)別自動(dòng)傳輸?shù)较鄳?yīng)的成品分級(jí)管臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的石油鉆桿綜合檢測(cè)分級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆桿接頭檢測(cè)、管體漏磁檢測(cè)、端區(qū)漏磁檢測(cè)和分級(jí)識(shí)別輸出等工序在同一系統(tǒng)內(nèi)批量自動(dòng)完成，這是真正意義上的鉆桿綜合檢測(cè)分級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)。中間各個(gè)工藝環(huán)節(jié)采用一體化全自動(dòng)控制，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了鉆桿綜合檢測(cè)的質(zhì)量和效率。該系統(tǒng)以全線的數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，搭建了一個(gè)高度集成的可視化系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)控，同時(shí)具備鉆桿位置、設(shè)備設(shè)施異常報(bào)警、安全互鎖、一鍵緊急停止等功能，安全性好。該技術(shù)成果的應(yīng)用可以更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)鉆桿的質(zhì)量安全性能，為鉆桿的科學(xué)管理和使用提供依據(jù)，將在以后石油鉆桿綜合檢測(cè)中得到更為廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。