石油鉆桿自動檢修一體化系統(tǒng)的研究

王霄鵬，崔文魁，李文河，李健，馬曄

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)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(zhì)量。鉆桿回廠檢修是必不可少的環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)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(jìn)行相關(guān)作業(yè)。早期的布局形式較為分散，導(dǎo)致重復(fù)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(guī)格為2-7/8″～5-1/2″的自動檢修一體化系統(tǒng)，將以上工序集成為一個整體系統(tǒng)，依靠提升設(shè)備自動化水平，各工序之間傳輸?shù)淖詣踊刂啤⑿畔⒓杉爸醒肟刂葡到y(tǒng)，形成類似流水線式作業(yè)模式，從而達(dá)到減少中間倒運環(huán)節(jié)，節(jié)約成本；減少交叉作業(yè)，降低安全風(fēng)險；自動化作業(yè)，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度等目標(biāo)。

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(nèi)、外螺紋清洗→內(nèi)壁清洗→控水→清洗下料

（2）外壁清洗機(jī)構(gòu)。采用電機(jī)與刷輪分體布置，整體自行浮動結(jié)構(gòu)。浮動刷洗機(jī)構(gòu)壓緊在鉆桿兩側(cè)，壓緊力根據(jù)刷洗需要無級調(diào)整，刷洗輪間隙根據(jù)鉆桿規(guī)格無級調(diào)節(jié)，在鉆桿接頭正常通過的同時，達(dá)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(jī)構(gòu)放置在固定罩殼內(nèi)，采用濕法刷洗，避免污水飛濺、降低粉塵污染。

（3）內(nèi)、外螺紋清洗機(jī)構(gòu)。由驅(qū)動輥輪、內(nèi)螺紋清洗裝置、外螺紋清洗裝置等組成。清洗時，驅(qū)動輥輪帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，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(nèi)、外螺紋表面及根部同時均勻清洗，且不損傷內(nèi)涂層。內(nèi)外螺紋清洗裝置采用密閉防護(hù)措施，避免高壓水、污水外噴外泄。

（4）內(nèi)壁清洗及控水機(jī)構(gòu)。雙根鉆桿同時上料，一次內(nèi)洗循環(huán)完成2根鉆桿內(nèi)壁清洗。雙噴桿邊縱向移動，邊周向高速旋轉(zhuǎn)，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(nèi)涂層完好的最低射流壓力內(nèi)。清洗區(qū)域密閉在罩殼內(nèi)，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(diào)整。

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

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

2.2 人工檢驗

（1）備料暫存管臺。考慮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(shè)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(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。

當(dāng)鉆桿清洗完畢進(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（約305mm）；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。

（2）人工檢驗。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，對需要修理的螺紋進(jìn)行標(biāo)識。

2.3 固定式鉆桿漏磁綜合檢測系統(tǒng)

固定式鉆桿漏磁綜合檢測系統(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。鉆桿經(jīng)漏磁綜合檢測后，管體的級別信號發(fā)送到噴標(biāo)裝置的分級系統(tǒng)的信號收集裝置。

2.4 級別標(biāo)識

級別標(biāo)識系統(tǒng)是一套可以根據(jù)鉆桿漏磁綜合檢測及鉆桿接頭的判級結(jié)果，綜合計算后取環(huán)比最低等級認(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。

2.5 自動分揀

鉆桿經(jīng)自動噴標(biāo)后，傳輸?shù)阶詣臃謷^(qū)域。此區(qū)域在鉆桿兩側(cè)設(shè)置2套視覺傳感器，采用側(cè)向照射方式，識別內(nèi)、外螺紋端面顏色標(biāo)識，如圖2。當(dāng)檢測到顏色后，會自動與軟件模板內(nèi)預(yù)先設(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。程序中將翻料機(jī)構(gòu)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)翻料機(jī)構(gòu)編碼，控制翻料機(jī)構(gòu)動作，將鉆桿翻到進(jìn)入機(jī)加廠房一側(cè)。反之，系統(tǒng)會將鉆桿翻到自動分級一側(cè)。

圖2 側(cè)向式自動識別裝置簡圖

2.6 螺紋車修

進(jìn)入機(jī)加車間前，在輸送線安裝2套側(cè)向自動識別裝置，用于判斷內(nèi)外螺紋是否同時有修復(fù)標(biāo)識。進(jìn)入機(jī)加車間內(nèi)的輸送線末端安裝有1套側(cè)向自動識別裝置，該裝置用于判斷末端（鉆桿內(nèi)螺紋）有無修復(fù)標(biāo)識，用于將鉆桿按照內(nèi)、外螺紋翻入不同的數(shù)控車床加工線。數(shù)控車床系統(tǒng)為Fanuc 0i-TD系統(tǒng)，使用我單位自主研發(fā)并已取得實用新型專利的螺紋水平對刀尺，配合螺紋修復(fù)程序，對鉆桿螺紋進(jìn)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(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。

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，將鉆桿翻到管臺上。反之，系統(tǒng)會將目的管臺編碼向后傳遞。

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。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的鉆桿自動檢修一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆桿清洗、人工檢驗、無損檢測、螺紋車修、分級等在同一系統(tǒng)內(nèi)完成，中間各個工藝環(huán)節(jié)采用一體化全自動控制，實現(xiàn)了鉆具的流水線作業(yè)、批量化作業(yè)，提高了作業(yè)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。該項成果的應(yīng)用，將會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。