白皓亮，劉寶昌，趙新哲，王立臣，李寶

(1.吉林大學建設工程學院，長春 130026；2.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，長春 130026；3.吉林啟星鋁業(yè)有限公司，吉林遼源 136200)

0 引言

近年來，隨著淺層資源勘探和開發(fā)利用接近飽和，我國油氣鉆井工程正在向地層更深處進展，面對惡劣的地下環(huán)境，傳統(tǒng)鋼鉆桿自重大、不耐腐蝕的劣勢變得越來越突出[1-3]。相較于傳統(tǒng)鋼鉆桿，鋁合金鉆桿比強度高、耐腐蝕能力強，在高地層壓力、高溫和高腐蝕的作業(yè)環(huán)境中有著巨大的優(yōu)勢[4-5]。

鋁合金鉆桿的生產(chǎn)方式主要是將鋁合金鑄錠擠壓成型，在此過程中可能會出現(xiàn)鋁合金鉆桿直徑與壁厚等關鍵尺寸偏離規(guī)范、鉆桿表面或內(nèi)部形成不明顯缺陷等問題，從而導致鉆桿力學性能下降，影響其在實際生產(chǎn)中的使用壽命，嚴重時甚至會引發(fā)事故[6],因此，對鋁合金鉆桿進行尺寸檢測與缺陷檢測顯得尤為必要。目前國內(nèi)的鋁合金鉆桿仍以人工檢測為主，這種方法不僅檢測效率低，而且無法保證檢測結果的精確性與可靠性。考慮到鋁合金鉆桿的良好市場前景和當下鉆桿生產(chǎn)制造工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，設計一套完整的鋁合金鉆桿智能檢測試驗裝置，從而達到保障鋁合金鉆桿尺寸精度、嚴格把控鋁合金鉆桿性能與質(zhì)量的目的，這對實現(xiàn)國內(nèi)鋁合金鉆桿制造工業(yè)化、市場化具有重大意義[7]。

1 鋁合金鉆桿檢測裝置總體結構

鋁合金鉆桿軸向為變截面，其壁厚、直徑均在不斷變化，因此在測量時需要分別檢測每個區(qū)域的直徑與壁厚是否符合規(guī)范，在過渡區(qū)域還要檢測直徑與壁厚的漸變尺寸。此外，鋁合金鉆桿長度達6～12 m，最大質(zhì)量可達200 kg，依靠人工進行檢測不僅費時費力，而且無法保證檢測結果的準確性。因此，想要準確、高效地進行檢測，就需要設計并搭建一套鋁合金鉆桿自動化檢測裝置。如圖1所示，該檢測試驗裝置由底架機構、支撐機構、測量機構、視頻檢測機構、電控柜和操作臺組成，可以實現(xiàn)鋁合金鉆桿直徑、壁厚和內(nèi)腔表面質(zhì)量的自動化檢測。

圖1 鋁合金鉆桿智能檢測試驗裝置總體結構Fig.1 The overall structure of the intelligent detection and test device for aluminum alloy drilling rod

2 鋁合金鉆桿檢測裝置結構設計

2.1 底架機構

底架機構主要包括底架、橫梁、齒條、導軌、立柱和擋板組件等部分，具體結構如圖2所示。底架機構是整套鋁合金鉆桿智能檢測裝置的支撐結構，主要用于承受鉆桿及設備的重量，以及其他分總成的安裝。

圖2 底架機構結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the chassis mechanism

如圖3所示，底架和橫梁上分別安裝有一條齒條與兩條直線導軌，兩處的導軌分別通過滑塊與支撐機構、測量機構相連，齒條、導軌和滑塊相互配合，可以實現(xiàn)支撐機構和測量機構的橫向移動。

圖3 齒條與導軌安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of rack and guide rail installation

擋板組件由擋板、導向桿和彈簧組成，擋板與限位開關相連，當被測鉆桿與擋板接觸后，支撐機構便會停止移動，防止鉆桿超出檢測范圍。

2.2 支撐機構

2.2.1 支撐機構總體結構

在底架機構的底座上安裝有3組支撐機構。支撐機構主要由箱體、底板、減速電機、主動輪、從動輪和齒輪組件組成，具體結構如圖4所示，結構分解圖如圖5所示。

圖4 支撐構件結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of supporting member structure

圖5 支撐構件結構分解圖Fig.5 Support structure exploded view

2.2.2 支撐機構電機選型計算

支撐機構的支撐移動減速電機安裝在底板上，支撐移動減速電機和齒輪、齒條、滑塊、導軌相互配合，使支架帶動鉆桿沿導軌方向移動。支撐旋轉減速電機安裝在箱體上，支撐旋轉減速電機和主動輪、從動輪相互配合，可使鉆桿繞中心軸線自轉，以便對鉆桿圓周不同位置的直徑、壁厚和同軸度進行檢測。

為保證安放在支撐機構上的鉆桿平穩(wěn)移動，設計鉆桿平移速度v0=2 m/min。擬定待測量鋁合金鉆桿的質(zhì)量m0=200 kg，鉆桿外徑D0=147 mm，鉆桿內(nèi)徑d0=125 mm，單個支撐構件的質(zhì)量mz=80 kg。為保險起見，直線導軌與滑塊間的摩擦因數(shù)取值為μ=0.2[8-10]。

支撐移動減速電機配用的齒輪齒數(shù)和模數(shù)分別為zv=23和kv=2，則支撐移動減速電機配用的齒輪分度圓直徑為dv=zvkv=46 mm。

支撐移動減速電機的設計轉速為n1=v0/(πdy)=13.85 r/min。

為避免工作過程中出現(xiàn)單一支撐構件優(yōu)先啟動而發(fā)生損壞的情況，設計要求每一個支撐構件都可以承受鉆桿和所有支撐構件的扭矩。則支撐移動減速電機的設計扭矩為

(1)

代入數(shù)據(jù)可得M1=19.8 N·m。

為保證鋁合金鉆桿可以平穩(wěn)轉動且到達待測點時立即停止，設計鉆桿轉動時的轉速為n0=2 r/min，且鉆桿旋轉速度從0加速到2 r/min僅需要0.01 s；設計主動輪分度圓直徑d1=80 mm，所選擇的齒輪參數(shù)如表1所示。

表1 支撐機構中齒輪相關參數(shù)Table 1 Related parameters of gears in supporting mechanism

在旋轉過程中，鉆桿和主動輪的線速度相同，主動輪與從動齒輪的角速度相同，從動齒輪、中間齒輪和主動齒輪的線速度相同。各部件的轉速，如表2所示，故支撐旋轉減速電機的設計轉速n2=3.67 r/min

表2 各齒輪和主動輪轉速Table 2 Speed of each gear and driving wheel r/min

擬定鋁合金鉆桿為壁厚無變化的空心圓柱，則鉆桿的轉動慣量J為

(2)

鉆桿的角速度ω=2πn/60，鉆桿的角加速度β=ω/t，其中t為從鉆桿角速度由0到ω所需時間。支撐旋轉電機的設計扭矩為M2=Jβ，為避免工作過程中出現(xiàn)單一支撐構件優(yōu)先啟動而損害的情況，設計要求每一個支撐構件都可以提供鉆桿開始轉動時所需要的扭矩，帶入相關數(shù)據(jù)可得M2=38.9 N·m。

通過上述計算得到了兩種電機的設計轉速和設計扭矩。為保證電機使用過程中的安全性和可調(diào)節(jié)性，將電機的安全系數(shù)設為2，因此選用的支撐移動減速電機的輸出轉速大于27.7 r/min，輸出扭矩大于39.6 N·m；選用的支撐旋轉減速電機的輸出轉速大于7.34 r/min，輸出扭矩大于77.8 N·m。

根據(jù)設備的使用要求，在綜合考慮各類減速電機的功率、輸出轉速、輸出扭矩、安裝方式、安裝位置和使用條件等因素之后，支撐旋轉減速電機選用遼寧巨剛傳動機械有限公司生產(chǎn)的RF27-E0.55-4P-39.25-M5-Ⅱ-Φ140型法蘭軸伸式安裝斜齒輪減速電機，支撐移動減速電機則選用機械有限公司生產(chǎn)的RF27-E0.75-4P-22.32-M4-Ⅲ-Φ140型法蘭軸伸式安裝斜齒輪減速電機，以上兩種型號的減速電機均具有體積小、重量輕、振動小、噪聲低、承載能力高、使用壽命長等特點，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 支撐機構中所選減速電機型號及具體參數(shù)Table 3 The model and specific parameters of the geared motor selected in the supporting mechanism

2.3 測量機構

測量機構主要由支座部件、減速電機、氣缸、夾手部件、激光距離傳感器和電磁超聲探頭等部件組成，其具體結構如圖6所示。

圖6 測量機構結構分解圖Fig.6 Exploded view of measuring mechanism structure

測量機構的主要功能之一為直徑檢測。測量機構的支座部件通過滑塊與橫梁上的導軌相連，由減速電機提供動力，帶動測量機構沿導軌方向精確移動到預定位置。當測量機構移動到預設待測點后，氣缸便會推動可自動調(diào)整的夾手下落，夾手會根據(jù)直徑的大小進行開合。最終選用型號為CD22-100AM12的激光距離傳感器，如圖7所示。

圖7 激光距離傳感器工作原理Fig.7 Working principle of laser distance sensor

已知兩側夾手之間的距離為S0，傳感器測得與夾板的距離為L0，隨著測量的進行，兩側夾手之間的距離S逐漸變大，而激光距離傳感器與夾板之間的距離L逐漸變小，當S達到最大值Smax且保持不變時，激光距離傳感器與夾板之間的距離為L1。由公式(3)可測得鋁合金鉆桿外徑D0為[11]

D0=Smax=S0+2×(L0-L1)

(3)

夾板內(nèi)側裝有質(zhì)地較軟且耐磨的尼龍板，以防夾手在鋁合金鉆桿表面留下傷痕。測得的直徑尺寸數(shù)據(jù)會反饋到處理器，由處理器進行記錄并判斷尺寸是否超出公差范圍。單次檢測完成后，氣缸會帶動夾手向上移動，兩側夾手會在彈簧的作用下自動復位，為下一次檢測做準備。為了減小誤差，保證檢測結果的準確性，在進行直徑檢測時需在鋁合金鉆桿的同一位置檢測至少兩次，即鉆桿水平擺放檢測一次，轉動90°后再檢測一次，兩次檢測結果的差值即為鋁合金鉆桿所測位置的橢圓度。

測量機構的第二項功能是利用壁厚檢測儀檢測鋁合金鉆桿各區(qū)域的壁厚。為保證檢測裝置功能完善、檢測精度達標及信號傳輸穩(wěn)定，最終選用ETGmini-X1-A型電磁超聲探頭作為檢測裝置中的壁厚檢測儀。電磁超聲探頭貼近鋁合金鉆桿后發(fā)射產(chǎn)生波，超聲波在鋁合金鉆桿所用材料中的傳播速度設為vc，超聲波從發(fā)出到返回的用時為tu，則管體的壁厚Su=0.5vutu。

為了避免電磁超聲探頭沒有對準鉆桿橫截面圓心引起的檢測誤差，探頭被探頭座和探頭蓋牢牢包裹，安裝在兩只夾手中間。為了實現(xiàn)對過渡段壁厚的檢測，探頭座和探頭蓋分別采用彈簧連接和滑動連接的方式進行安裝，保證電磁超聲探頭可以在一定角度內(nèi)轉動，使探頭與鉆桿表面相垂直。

擬定測量分總成的總質(zhì)量mc=80 kg；測量移動減速電機配用的齒輪齒數(shù)和模數(shù)分別為zc=23和kc=2；導軌與滑塊間的摩擦系數(shù)為μ=0.2。測量移動減速電機配用的齒輪分度圓直徑dc=zckc=46 mm。則測量移動減速電機的設計轉速n3=v0/(πdc)=13.85 r/min。應用公式(1)計算可得測量移動減速電機的設計扭矩M3=3.6 N·m。

將電機的安全系數(shù)設為2，即選用的測量移動減速電機的輸出扭矩大于7.2 N·m，輸出轉速大于27.7 r/min。綜合考慮鉆機的輸出扭矩、輸出轉速和安裝形式等條件，最終選用遼寧巨剛傳動機械有限公司的RF27-E0.55-4P-39.25-M5-Ⅱ-Φ140型號軸伸法蘭式斜齒輪硬齒面減速電機作為測量移動減速電機，該電機的性能參數(shù)如表3所示。

2.4 視頻檢測機構

視頻檢測機構主要由減速電機、高分辨率內(nèi)窺鏡、轉盤線圈和支架組成，其具體結構如圖8所示。高分辨率內(nèi)窺鏡用于照明及在檢驗內(nèi)腔表面質(zhì)量時進行視頻記錄，減速電機為視頻頭及內(nèi)徑通規(guī)在管體內(nèi)部移動提供動力。進行檢測時，內(nèi)窺鏡在電機驅(qū)動下，由轉盤線圈帶動從鉆桿的一端進入，將鉆桿內(nèi)腔表面的圖像直接傳輸?shù)讲僮髋_上并進行視頻記錄，檢測人員可以在操作臺處實時監(jiān)測鉆桿內(nèi)腔表面是否存在缺陷。檢測完成后，內(nèi)窺鏡會在預設程序的控制下自動返回初始位置。

圖8 視頻檢測機構結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of video detection mechanism

由于轉盤線圈的重量過小，所需要減速電機的輸出扭矩非常低，所以在減速電機選型時只需要考慮電機的輸出轉速即可。為了保證內(nèi)窺鏡拍攝的視頻效果清晰，且人眼的識別能力可以跟上拍攝的速度，內(nèi)窺鏡在鋁合金鉆桿內(nèi)移動的速度vn不宜超過3 m/min，選用的轉盤線圈的直徑為dn=440 mm，視頻移動減速電機的設計轉速為n4=2.17 r/min。

將減速電機的安全系數(shù)設為2，即選用的視頻移動減速電機的輸出轉速需大于4.34 r/min。設計選用遼寧巨剛傳動機械有限公司生產(chǎn)的RF27-E0.25-4P-84.78-M2-Ⅲ-Φ140型號軸伸法蘭式斜齒輪硬齒面減速電機作為視頻移動減速電機，該電機的性能參數(shù)如表4所示。

表4 視頻移動減速電機的性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of video mobile geared motors

3 鋁合金鉆桿檢測裝置自動化控制

為實現(xiàn)鋁合金鉆桿檢測裝置自動化控制，在裝置中設計了電控柜和操作臺，二者主要由可編程邏輯控制器(PLC)、DC 24 V開關電源、空氣開關、中間繼電器、接線端子、配電器、匯線槽、變頻器等電氣元件組成。首先根據(jù)鋁合金鉆桿檢測裝置工作流程，選擇合適的電氣元件，應用編程軟件開發(fā)一套自動化檢測程序；然后根據(jù)裝置各組成部分的用電需求，設計整套裝置的電氣控制原理圖，以實現(xiàn)裝置安全、平穩(wěn)的運行[12,13]。

4 鋁合金鉆桿檢測裝置工作流程

(1)裝件。首先根據(jù)待測鋁合金鉆桿的外形尺寸，將三套支撐機構調(diào)整到合適的位置，然后將鉆桿置于支撐機構上；鉆桿放下之前需要再次微調(diào)三套支撐機構的位置，避免其與鉆桿變截面處接觸；后控制支撐機構帶動鉆桿移動，使鉆桿的一端與底架機構限位擋板接觸，擋板安裝有限位開關，鉆桿觸發(fā)開關后支撐機構自動停止。

(2)鉆桿直徑及壁厚檢測。鉆桿放置完成后，由橫向移動減速電機驅(qū)動支撐機構將檢測部件移至預定區(qū)域，開始對鉆桿直徑及壁厚進行檢測；待檢測量完成后，由徑向支撐減速電機驅(qū)動支撐機構將管體旋轉至合適的角度，再次進行直徑及壁厚檢測，重復以上過程完成鉆桿整體的尺寸檢測。

(3)鉆桿內(nèi)腔檢測。直徑及壁厚檢測完成之后，測量機構回到零點位置，控制三套支撐機構，將鉆桿向視頻檢測機構移動，直至鉆桿觸發(fā)限位開關；鉆桿到達預定位置后，視頻檢測機構中的減速電機驅(qū)動轉盤線圈使高分辨率內(nèi)窺鏡在鉆桿內(nèi)移動，內(nèi)窺鏡完成鉆桿內(nèi)腔的圖像采集工作后，將鏡頭撤回。

(4)卸件。各項檢測完成后，便可將管體吊出，為下次的檢測做準備。

5 結語

針對我國鋁合金鉆桿檢測技術與裝備的空白，作者設計了鋁合金鉆桿尺寸與缺陷自動化檢測裝置。該裝置由底架機構、支撐機構、測量機構、視頻檢測機構、電控柜和操作臺等部分組成，各個部件相互配合，可以實現(xiàn)鋁合金鉆桿直徑、壁厚和內(nèi)腔表面質(zhì)量的自動化檢測。