基于激光的沖蝕測(cè)量裝置設(shè)計(jì)及測(cè)試

王曉， 單彥魁， 劉傳剛， 劉景超， 王丙剛， 鞠少棟， 王堯， 鄧晗

（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海石油（中國(guó)）有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

油氣井在開發(fā)過程中，大多數(shù)井下工具都會(huì)受到固體顆粒的沖蝕，例如鉆井液中砂粒對(duì)鉆井工具的沖蝕；采油生產(chǎn)過程中出砂的砂粒對(duì)油管、采油泵、開關(guān)滑套等采油工具的沖蝕；礫石充填防砂和壓裂增產(chǎn)，高速的礫石和壓裂支撐劑對(duì)壓裂工具的沖蝕等[1-4]。井下設(shè)備的沖蝕，一直伴隨著海洋石油開采的全過程，井下工具的防沖蝕能力一直是關(guān)注的重點(diǎn)，是海洋石油開發(fā)過程中的技術(shù)難題。

沖蝕測(cè)試是研究井下設(shè)備沖蝕規(guī)律的重要方法，對(duì)沖蝕測(cè)試后的試件其沖蝕外觀尺寸的參數(shù)測(cè)量多采用傳統(tǒng)方法。目前，沖蝕深度多采用游標(biāo)卡尺、千分尺等工具直接測(cè)量，沖蝕面積多采用橡皮泥類物質(zhì)拓模，沖蝕體積則多采用填鹽法（將鹽等粉末填入沖蝕測(cè)試后的坑里，填滿后取出，通過稱量其質(zhì)量計(jì)算體積，得到?jīng)_蝕體積）。這些方法都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)量精度低，同時(shí)受到操作者的影響，難以取得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

為了解決沖蝕試件參數(shù)測(cè)量的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于激光的沖蝕測(cè)量裝置，該裝置能夠快速并準(zhǔn)確地對(duì)沖蝕試驗(yàn)后工具材質(zhì)試件進(jìn)行表面沖蝕深度、面積、體積等沖蝕參數(shù)的測(cè)量。測(cè)試過程全自動(dòng)化，無需人工干預(yù)，測(cè)量精度高，顯著提高測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量效率。

1 沖蝕激光測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)及方法

1.1 沖蝕測(cè)量裝置基本原理

沖蝕測(cè)量裝置主要通過激光頭掃描測(cè)量并記錄試件表面局部的三維坐標(biāo)，通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)激光頭做水平方向的直線運(yùn)動(dòng)，連續(xù)測(cè)量試件表面所有區(qū)域的三維坐標(biāo)。通過數(shù)據(jù)處理形成試件表面的三維高度的云圖，并計(jì)算試件的表面沖蝕區(qū)域的沖蝕深度、沖蝕面積和沖蝕體積等尺寸參數(shù)。

1.2 沖蝕測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖蝕測(cè)量該裝置主要包括檢測(cè)支撐系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和控制顯示系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 沖蝕試驗(yàn)裝置流程

1）檢測(cè)支撐系統(tǒng)包括檢測(cè)臺(tái)架和高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，檢測(cè)臺(tái)架主要用于安裝、固定各個(gè)部分的組件，高度調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高度。

圖1 激光測(cè)量原理示意圖

2）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括伺服電動(dòng)機(jī)及運(yùn)行軌道，用于帶動(dòng)并控制測(cè)量系統(tǒng)中的激光測(cè)量頭的水平方向的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量試件表面坐標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

3）測(cè)量系統(tǒng)包括激光測(cè)量頭和數(shù)據(jù)采集及處理器，用于采集測(cè)量試件的測(cè)量區(qū)域表面三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)采集及處理器用于將激光測(cè)量頭采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與初步處理。

4）控制顯示系統(tǒng)主要包括主機(jī)、顯示器及控制軟件。測(cè)量系統(tǒng)采集到的試件表面坐標(biāo)信息，通過信號(hào)線傳輸?shù)娇刂齐娔X，并在顯示器上顯示出來。通過系統(tǒng)內(nèi)置的軟件進(jìn)行沖蝕深度、面積和體積等參數(shù)的計(jì)算、分析。

目前，該沖蝕測(cè)量系統(tǒng)的垂直方向測(cè)量精度為0.5 μm，水平方向測(cè)量精度為10 μm，測(cè)量寬度為40 mm，測(cè)量長(zhǎng)度為0～1200 mm，可以根據(jù)測(cè)量精度的需要換裝不同的測(cè)量激光頭。

1.3 測(cè)試步驟

該裝置的自動(dòng)化程度較高，沖蝕測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)過程較為簡(jiǎn)單，主要有3個(gè)步驟：1）設(shè)備開機(jī)后，將待檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件放于檢測(cè)臺(tái)架上，調(diào)整高度調(diào)整機(jī)構(gòu)使待檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件處于適宜的高度。點(diǎn)擊系統(tǒng)中的歸位按鈕，使測(cè)量探頭回歸初始位置，準(zhǔn)備開始測(cè)試。2）啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，激光測(cè)量頭在伺服電動(dòng)機(jī)和高度調(diào)整機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，從起點(diǎn)開始掃描待檢測(cè)試件的表面三維坐標(biāo)，至終點(diǎn)位置后結(jié)束掃描。掃描完成后，顯示器的圖像顯示區(qū)域會(huì)顯示所有測(cè)量結(jié)果，并形成垂直高度的云圖，如圖3所示。3）通過鼠標(biāo)框選需要測(cè)量的沖蝕區(qū)域后，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，即可自動(dòng)計(jì)算出測(cè)量區(qū)域內(nèi)的沖蝕面積、深度和體積等參數(shù)。

1.4 沖蝕參數(shù)的計(jì)算方法

激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得試件表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)后，需要通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到?jīng)_蝕的參數(shù)信息，計(jì)算方法內(nèi)置在控制軟件中，具體計(jì)算方法如下。

通過鼠標(biāo)在顯示器上框選的區(qū)域?yàn)榇郎y(cè)區(qū)域，待測(cè)區(qū)域中包含三部分，上、下兩部分為參考區(qū)域，中間為測(cè)量區(qū)域。以參考區(qū)域所有點(diǎn)的平均坐標(biāo)建立參考平面f（x，y，z）=0，就可以通過方程，計(jì)算出測(cè)量區(qū)域中所有點(diǎn)到參考平面的距離d（z）。

其中，參考平面的方程為

式中：dx為橫向測(cè)量間距；dy為縱向測(cè)量間距。

所有沖蝕位置的沖蝕體積進(jìn)行累加得到總的沖蝕體積為

該算法直接集成在控制系統(tǒng)中，測(cè)量后即可得到計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果包括沖蝕深度、沖蝕面積和沖蝕體積。

2 沖蝕測(cè)量裝置性能測(cè)試

對(duì)于沖蝕尺寸測(cè)量裝置，測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性是設(shè)備的核心性能指標(biāo)，這兩項(xiàng)性能的好壞直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

為了考察裝置的性能，對(duì)沖蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)試后的金屬試件進(jìn)行沖蝕尺寸參數(shù)的測(cè)量，并與傳統(tǒng)方法做對(duì)比測(cè)試。沖蝕測(cè)試的試件為316L不銹鋼，尺寸為50 mm×30 mm×4 mm，單個(gè)試件質(zhì)量約為71.76 g，密度為7.98 g/cm3。進(jìn)行沖蝕測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置為中海油能源發(fā)展有限公司自行研制的噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置用于測(cè)試液體條件下的沖蝕磨損情況[8]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的流速為40 m/s，實(shí)驗(yàn)方法采用定量加砂法，即每次測(cè)試采用相同質(zhì)量的磨料，磨料用完后即停止測(cè)試。沖蝕實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行3次，得到3個(gè)沖蝕后的試件，如圖3所示。

圖3 沖蝕試驗(yàn)后的316L金屬試件

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試件的沖蝕參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，分析測(cè)量系統(tǒng)的性能，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。同時(shí)，作為對(duì)比對(duì)試件的體積通過失量法進(jìn)行測(cè)量。失量法是進(jìn)行沖蝕、腐蝕實(shí)驗(yàn)研究常用的一種方法，主要是進(jìn)行損失質(zhì)量的測(cè)量，也可以用來測(cè)量沖蝕體積。失量法測(cè)量試件沖蝕體積：沖蝕體積=沖蝕質(zhì)量/密度。采用失量法測(cè)量沖蝕體積需要在沖蝕試驗(yàn)前后測(cè)量試件的質(zhì)量。采用兩種方法對(duì)試件的沖蝕體積進(jìn)行測(cè)量。對(duì)測(cè)量后的結(jié)果進(jìn)行整理和分析，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

圖4 測(cè)量結(jié)果圖

由表1可知，通過激光法測(cè)得3個(gè)試件的沖蝕體積約為40.375～42.99 mm3，沖蝕面積為403～437 mm2，沖蝕深度0.722～1.082 mm。失量法測(cè)得試件的計(jì)算體積約為38.1～41.2 mm3。通過激光方法測(cè)量的沖蝕體積數(shù)據(jù)比采用失量法得到的數(shù)據(jù)差約為4.06%～4.67%，平均誤差為4.34%，具有較好的測(cè)量精度。

表1 316L試件沖蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

失量法對(duì)于小型試件的測(cè)量可以取得較好的效果，但是當(dāng)試件的體積和質(zhì)量較大，而沖蝕質(zhì)量較小時(shí)，受限于電子天平的測(cè)量精度和測(cè)量誤差，難以取得較好的測(cè)量結(jié)果。與之相比，本測(cè)試裝置采用的激光法則沒有尺寸和質(zhì)量的限制，可以準(zhǔn)確地測(cè)量沖蝕面積、深度和體積參數(shù)，還可以適用于大尺寸試件的測(cè)量。

3 結(jié)語

本文介紹了一種沖蝕激光測(cè)量裝置，詳細(xì)地介紹了結(jié)構(gòu)、原理及軟件算法，并對(duì)加工完成的沖蝕測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。

1）檢測(cè)系統(tǒng)的垂直方向測(cè)量精度為0.5 μm，水平方向測(cè)量精度為10 μm，測(cè)量寬度為40 mm，測(cè)量長(zhǎng)度為0～1200 mm，并可根據(jù)測(cè)量精度的需要換裝不同的測(cè)量激光頭，加工組裝完成后對(duì)沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了性能測(cè)試。

2）對(duì)316L金屬試件進(jìn)行了沖蝕測(cè)試，并采用該裝置和失量法進(jìn)行了沖蝕體積的對(duì)比測(cè)試，與失量法測(cè)量結(jié)果相比，平均誤差為4.34%，最大誤差小于4.67%。

3）對(duì)比傳統(tǒng)的失量法計(jì)算沖蝕體積，沖蝕激光測(cè)量裝置沒有尺寸和質(zhì)量的限制，可以準(zhǔn)確地測(cè)量沖蝕面積、深度和體積參數(shù)，還可以適用于大尺寸試件的測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該沖蝕測(cè)量裝置可以準(zhǔn)確、快速地測(cè)量沖蝕面積、深度和體積，滿足常規(guī)的沖蝕試驗(yàn)測(cè)試需要。