石油鉆桿綜合檢測自動化系統(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。鉆桿的檢測探傷是必不可少的環(huán)節(jié)，通常包括管體漏磁檢測、端區(qū)超聲波檢測、接頭人工檢驗清洗和自動分級等工序。目前，鉆桿綜合檢測中，漏磁、超聲波、尺寸檢測和最終標(biāo)識分級單獨作業(yè)，分別使用便攜式設(shè)備和人工測量，重復(fù)環(huán)節(jié)多，無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)、勞動強(qiáng)度大、安全風(fēng)險大、自動化水平低。本文研究的內(nèi)容是依靠提升設(shè)備自動化水平，各工序之間傳輸?shù)目刂?、信息集成及中央控制系統(tǒng)，將以上不同的檢測項目和環(huán)節(jié)集成為一個自動控制系統(tǒng)，適用于鉆桿規(guī)格為2-3/8″～5-7/8″的綜合檢測自動化系統(tǒng)，解決以上難題的同時高質(zhì)量高效率的實現(xiàn)鉆桿綜合檢測。

2 研究方案總體簡介

圖1為工藝流程簡介。

圖1 工藝流程簡介

3 工作原理

3.1 輸入

3.1.1 鉆桿的清洗是綜合檢測前的重要環(huán)節(jié)

3.1.2 備料暫存管臺

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

3.2 接頭尺寸自動測量

3.2.1 備料暫存管臺（圖2）

圖2 備料暫存管臺

考慮到人工檢驗的工作方式和效率，備料暫存管臺較長，為了有效地降低鉆桿滾動速度，我們采用式（1）計算管臺理論傾斜角度，式中δ為滾動摩阻系數(shù)，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(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)入緩沖管臺后，接近傳感器檢測到鉆桿信號，啟動上料機(jī)構(gòu)進(jìn)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(qū)動電機(jī)帶動鏈條行走一個位移；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)行人工檢驗工位下料一根鉆桿，從緩沖管臺上料一根鉆桿。

3.2.2 接頭尺寸的測量和分級

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

（2）自動測量裝置。以內(nèi)螺紋接頭為例，如圖3。

圖3 內(nèi)螺紋接頭自動測量裝置簡圖

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

檢測支架上安裝有激光測距傳感器，2只激光測距傳感器垂直對射安裝，直線模組驅(qū)動該檢測支架沿接頭方向移動，激光傳感器感知到接頭直徑方向尺寸變化，確定測長計數(shù)A點和B點，根據(jù)式（2）得出接頭長度值（mm）。式中，L為接頭長度（mm），L1為初始長度值（mm），L2為末端長度值（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為兩只測距傳感器之間的絕對距離（mm），h1+h2為兩只測距傳感器檢測距離之和（mm）。

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

3.3 鉆桿漏磁檢測系統(tǒng)

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

端區(qū)檢測與管體檢測的主要不同點是管體壁厚均勻，壁厚薄，端區(qū)加厚帶壁厚不均勻，壁厚逐漸變厚，鉆桿漏磁檢測系統(tǒng)可同時實現(xiàn)鉆桿管體和鉆桿端區(qū)加厚過渡帶的檢測工作，鉆桿管體漏磁檢測信號處理系統(tǒng)和鉆桿端區(qū)加厚過渡帶漏磁檢測信號處理系統(tǒng)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)自動采集，并對采集的信號進(jìn)行集中處理，通過單屏顯示鉆桿管體和端區(qū)的漏磁檢測圖像，便于監(jiān)控人員快速評價檢測結(jié)果。

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

3.4 自動噴涂分級標(biāo)識

自動噴涂分級標(biāo)識系統(tǒng)是一套可以根據(jù)鉆桿漏磁檢測和鉆桿接頭測量的判級結(jié)果，綜合計算后取最低等級認(rèn)定，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的級別顏色進(jìn)行全自動噴涂色環(huán)的一套裝置。該自動標(biāo)識裝置主要由分級系統(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 自動標(biāo)識系統(tǒng)簡圖

鉆桿經(jīng)接頭測量和漏磁檢測后，分級系統(tǒng)采集鉆桿漏磁檢測級別信號與鉆桿接頭測量的級別信號綜合計算后取最低等級判定鉆桿級別。待其傳輸?shù)缴h(huán)噴涂工位后，末端定位傳感器檢測到鉆桿尾端脫離信號，旋轉(zhuǎn)輥輪升起帶動鉆桿緩慢旋轉(zhuǎn)，根據(jù)分級系統(tǒng)信號確定顏色，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，慢速行進(jìn)中烘干，然后進(jìn)入到自動識別分揀工序。

3.5 自動識別分級輸出

鉆桿經(jīng)自動噴標(biāo)烘干后，自動分揀翻轉(zhuǎn)到輸出作業(yè)線。自動識別裝置安裝于鉆桿輸出線靠近分級管臺的前方，兩臺輥輪之間的位置，如圖5所示。

圖5 通過式自動識別裝置簡圖

鉆桿在通過自動識別裝置時，安裝在箱體內(nèi)的視覺傳感器會自動觸發(fā)，對鉆桿進(jìn)行顏色識別檢測，并自動與軟件模板內(nèi)設(shè)定的顏色進(jìn)行比對，識別到的顏色會通過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。

程序中將分級管臺進(jìn)行預(yù)先編碼，當(dāng)識別裝置給出顏色檢測結(jié)果后，PLC立即將該識別信號轉(zhuǎn)化為目標(biāo)管臺編碼。當(dāng)鉆桿每到達(dá)一個管臺前時，系統(tǒng)會自動傳遞該鉆桿的目標(biāo)管臺編碼到當(dāng)前管臺編碼緩存器內(nèi)，當(dāng)管臺編碼緩存器內(nèi)的管臺編碼與當(dāng)前管臺實際編碼相符時，翻料機(jī)構(gòu)動作，將鉆桿翻到成品分級管臺上。反之，系統(tǒng)會將目的管臺編碼向后傳遞，最終每根鉆桿都會按照檢測級別自動傳輸?shù)较鄳?yīng)的成品分級管臺。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的石油鉆桿綜合檢測分級自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆桿接頭檢測、管體漏磁檢測、端區(qū)漏磁檢測和分級識別輸出等工序在同一系統(tǒng)內(nèi)批量自動完成，這是真正意義上的鉆桿綜合檢測分級自動化系統(tǒng)。中間各個工藝環(huán)節(jié)采用一體化全自動控制，降低了勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險，提高了鉆桿綜合檢測的質(zhì)量和效率。該系統(tǒng)以全線的數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，搭建了一個高度集成的可視化系統(tǒng)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)控，同時具備鉆桿位置、設(shè)備設(shè)施異常報警、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)確評價鉆桿的質(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中得到更為廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。