三維掃描成像曲面計(jì)算系統(tǒng)的研究探索

王建輝，李吉

(青海油田公司 井下作業(yè)公司，青海 海西 816499)

目前，國(guó)內(nèi)各大油氣田對(duì)地面管線、罐體的防腐研究關(guān)注度較高，對(duì)井內(nèi)的油套管腐蝕防護(hù)研究關(guān)注較少。我單位主要負(fù)責(zé)油管桿的清洗、檢測(cè)、修復(fù)工作，年清洗油管近400萬(wàn)米左右，但是從實(shí)際管理中來(lái)看，年報(bào)廢油管近80萬(wàn)米，占年均回收油管的24%，按現(xiàn)市場(chǎng)鋼材價(jià)格測(cè)算，年損失3000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有的油管檢測(cè)工藝和手段存在漏檢和檢測(cè)盲區(qū)，現(xiàn)有的油管修復(fù)技術(shù)只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行接箍更換、螺紋修復(fù)，無(wú)法滿足質(zhì)量要求。

1 目前市場(chǎng)最常見(jiàn)的油管探傷工藝

1.1 漏磁探傷

漏磁檢測(cè)是指鐵磁材料被磁化后，因試件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁場(chǎng)，檢測(cè)管體的橫向和縱向缺陷，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)缺陷。

1.2 超聲探傷

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法。

1.3 渦流探傷

其原理是用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測(cè)線圈測(cè)定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。

1.4 磁粉探傷

磁粉探傷利用工件缺陷處的漏磁場(chǎng)與磁粉的相互作用，它利用了鋼鐵制品表面和近表面缺陷（如裂紋，夾渣、發(fā)紋等）磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率的差異，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀，進(jìn)而對(duì)這些磁粉的堆積加以觀察和解釋。目前我單位油田使用的油管探傷技術(shù)就屬于漏磁無(wú)損探傷，采用8通道橫向和縱向漏磁探傷，2組固定探頭。從實(shí)際使用中來(lái)看，存在以下問(wèn)題。

一是單獨(dú)一種探傷技術(shù)無(wú)法滿足油管檢測(cè)技術(shù)需求。如漏磁探傷不能對(duì)油管接箍做到全面檢測(cè)，對(duì)偏磨、腐蝕的油管接箍需要人為目視檢測(cè)。（圖1、圖 2）。

圖1

圖2

二是再先進(jìn)的探傷技術(shù)均存在檢測(cè)盲區(qū)，從實(shí)際使用中來(lái)看，本單位使用的漏磁探傷盲區(qū)0～400mm，其它探傷技術(shù)最小盲區(qū)也在0～200mm，恰恰是這短短的盲區(qū)造成質(zhì)量缺陷產(chǎn)品外流，因?yàn)閷?duì)于外加厚油管而言，鐓粗區(qū)恰恰是偏磨腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域。（圖3、圖4）。

圖3

圖4

三是不論何種探傷技術(shù)，對(duì)于流水線生產(chǎn)環(huán)境來(lái)說(shuō)，油管移動(dòng)速率是關(guān)鍵，同一根油管通過(guò)2次探傷機(jī)，檢測(cè)結(jié)果均不相同，對(duì)操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求很高。

四是油管在使用過(guò)程中，缺陷種類(lèi)較多，壁厚必須達(dá)到使用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，缺陷長(zhǎng)度必須滿足一定要求，而注水管在使用過(guò)程中造成油管表面的坑蝕、點(diǎn)蝕情況較多，現(xiàn)有的探傷技術(shù)檢測(cè)出的機(jī)率較小。（圖5、圖6）。

圖5

圖6

五是即使是上述幾種探傷技術(shù)聯(lián)合使用，也不能保證產(chǎn)品探傷效果，各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)使用造成影響。

六是若在實(shí)際生產(chǎn)中降低管材通過(guò)探傷機(jī)的速率來(lái)提高探傷質(zhì)量，必然影響生產(chǎn)，進(jìn)而影響企業(yè)效益；若提高探傷速率，必然造成一定的漏檢率，增加質(zhì)量事故概率，損失企業(yè)信譽(yù)，丟失市場(chǎng)，是個(gè)矛盾體。

七是以油田現(xiàn)使用的漏磁探傷技術(shù)為例，通過(guò)前期的試驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題。

（1）為了滿足年油管清洗400萬(wàn)米的需求，油管探傷必須在一定的速率范圍內(nèi)才能與清洗生產(chǎn)工藝速率相匹配，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的工藝進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油管在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中探傷速度為 322．5mm/s，3．225 圈 /s，旋轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)距離為100mm（圖7），而現(xiàn)用的設(shè)備只有兩組探頭，探頭相距1000mm，旋轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)的距離恰是兩組探頭間距的整數(shù)倍，即第一組探頭未被檢測(cè)到的缺陷第二組探頭檢測(cè)不到的機(jī)率增加。

（2）由上所述，小于100mm的缺陷漏檢機(jī)率增加，特別是腐蝕坑常常需要人工進(jìn)行目視觀察，施工現(xiàn)場(chǎng)中因腐蝕坑而導(dǎo)致油管無(wú)法憋壓的情況很常見(jiàn)。

（3）由于探頭與被檢測(cè)管體表面接觸的距離在5mm左右，管材在檢測(cè)過(guò)程中通過(guò)傳輸輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，尾部接箍臺(tái)肩的影響會(huì)發(fā)生跳躍，只有檢測(cè)到油管前端經(jīng)過(guò)第二組探頭時(shí)，第一組探頭落下，為了避開(kāi)接箍臺(tái)肩對(duì)探頭的損壞，在油管尾端接箍接觸第一組探頭之前，兩組探頭必須同時(shí)抬起，因此造成漏檢區(qū)域大于1000mm。施工現(xiàn)場(chǎng)外加厚油管管端600～800mm位置因偏磨而造成油管試壓過(guò)程中被打爆的情況時(shí)有發(fā)生。

圖7

2 三維掃描成像曲面計(jì)算系統(tǒng)的提出

2.1 設(shè)想

三維掃描成像曲面計(jì)算系統(tǒng)即油管在傳輸過(guò)程中，通過(guò)三維掃描設(shè)備對(duì)油管的內(nèi)外壁進(jìn)行全長(zhǎng)徑掃描，在系統(tǒng)軟件中實(shí)時(shí)生成三維圖像，軟件后臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行有限元分析，在生成的三維圖像中，對(duì)油管的缺陷進(jìn)行標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)的內(nèi)容有：壁厚厚度、缺陷位置及長(zhǎng)度、螺紋損傷、接箍損傷等。對(duì)達(dá)到一定壁厚和缺陷的油管進(jìn)行實(shí)時(shí)分級(jí)，對(duì)滿足報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的油管進(jìn)行報(bào)廢標(biāo)記。

2.2 可實(shí)現(xiàn)的功能

（1）實(shí)時(shí)計(jì)算功能。一根油管（9．6m）在傳輸過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描、實(shí)時(shí)計(jì)算，掃描、計(jì)算、分級(jí)、3D打印修復(fù)傳輸過(guò)程＜60s。（2）對(duì)缺陷實(shí)現(xiàn)精確定位功能。對(duì)缺陷位置、長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)精確定位，實(shí)現(xiàn)后續(xù)3D打印修復(fù)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)精確位置修復(fù)。（3）實(shí)現(xiàn)油管傳輸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三維掃描。油管經(jīng)過(guò)清洗工藝后通過(guò)傳輸輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，所以必須實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中對(duì)油管外壁和內(nèi)壁進(jìn)行全程三維掃描。（4）全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，無(wú)需人為干預(yù)，所有過(guò)程全部由計(jì)算機(jī)命令判斷實(shí)施。

2.3 技術(shù)難點(diǎn)

（1）如何實(shí)現(xiàn)油管運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行內(nèi)外壁的全長(zhǎng)三維掃描。（2）掃描、計(jì)算、缺陷定位必須在限定的時(shí)間內(nèi)完成，滿足生產(chǎn)需求，與前端油管清洗生產(chǎn)線速率匹配。（3）對(duì)不滿足一級(jí)管的油管全部進(jìn)入3D修復(fù)線，修復(fù)后的油管做降級(jí)處理，按二級(jí)管使用。（4）對(duì)缺陷位置實(shí)現(xiàn)精確定位，油管傳輸至3D修復(fù)線能實(shí)現(xiàn)精確位置修復(fù)。（5）全程實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)人值守。

3 3D打印修復(fù)技術(shù)的提出

3.1 設(shè)想

油管3D打印修復(fù)技術(shù)是指將三維掃描成像曲面計(jì)算不滿足一級(jí)管的油管全部傳輸至3D打印修復(fù)線，利用特殊材料對(duì)缺陷位置進(jìn)行精確修復(fù)，修復(fù)后的油管各項(xiàng)指標(biāo)滿足一級(jí)管要求，但使用必須做降級(jí)處理，達(dá)到重復(fù)利用的目的。

3.2 可實(shí)現(xiàn)的功能

（1）對(duì)壁厚進(jìn)行修復(fù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)不滿足一級(jí)油管壁厚要求的位置進(jìn)行修復(fù)，達(dá)到一級(jí)油管壁厚要求。（2）對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)。缺陷包括偏磨、腐蝕及坑蝕的內(nèi)外壁修復(fù)。（3）對(duì)螺紋進(jìn)行修復(fù)。對(duì)偏磨、造扣的螺紋進(jìn)行修復(fù)。（4）全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，無(wú)需人為干預(yù)，所有過(guò)程全部由計(jì)算機(jī)命令判斷實(shí)施。（5）對(duì)現(xiàn)有的修復(fù)生產(chǎn)線設(shè)備鋸床、車(chē)床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)信息分析自動(dòng)螺紋修復(fù)。

3.3 技術(shù)難點(diǎn)

（1）3D打印材料的研發(fā)。3D打印修復(fù)材料必須與鋼材具有較強(qiáng)的融合性、易延展、不脫落；3D打印修復(fù)材料必須價(jià)格占有優(yōu)勢(shì)，方可推廣應(yīng)用。（2）3D打印修復(fù)的油管必須有可供試驗(yàn)的場(chǎng)所、達(dá)到相應(yīng)等級(jí)油管試壓標(biāo)準(zhǔn)。（3）全程實(shí)現(xiàn)智能化，無(wú)人值守。