CN111102945A - 一种现场检测连续油管壁厚的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场检测连续油管壁厚的装置和方法，通过实时监测连续油管壁厚，可为连续油管探伤和疲劳寿命预测提供全面准确的基础数据，为连续油管安全作业提供保障。包括：釜体，釜体包括外壁、底壁，底壁上设有呈环形的釜体内凹槽，釜体内凹槽、外壁之间形成釜体外凹槽，外壁上沿径向设有若干调节螺孔，各调节螺孔内分别安装有超声波探测器；密封加压盖，密封加压盖设有密封加压盖内凹槽、密封加压盖外凹槽，密封加压盖外凹槽的外槽壁盖在釜体的外壁上，并螺纹配合密封，密封加压盖的上端设有接头，用于连接自动上扣装置；橡胶环，其两端分别位于釜体内凹槽和密封加压盖内凹槽中。

Description

一种现场检测连续油管壁厚的装置和方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程连续油管安全技术领域，特别是涉及一种现场检测连续油管壁厚的装置和方法。

背景技术

连续油管在工作过程中壁厚减小容易引起连续油管产生疲劳破坏，因此及时、准确、全面监测连续油管工作中不断减小的壁厚，对于及时维修连续油管、防止安全事故、提高连续油管使用次数具有重要意义。目前，现有的方法是基于实验室数据建立的经验模型预测连续油管工作后壁厚或定期对连续油管壁厚进行检测。由于经验预测模型适用范围有限，而定期检测方法又不能准确、及时、全面监测连续油管工作中的壁厚，因此本文提供一种现场检测连续油管壁厚的装置和方法，可实现现场连续、准确、无损检测壁厚，为连续油管作业疲劳寿命预测提供及时准确全面的基础数据。能很好地解决现有技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种现场检测连续油管壁厚的装置和方法，通过实时监测连续油管壁厚，可为连续油管探伤和疲劳寿命预测提供全面准确的基础数据，为连续油管安全作业提供保障，

本发明的目的是这样实现的：

一种现场检测连续油管壁厚的装置，包括：

釜体，所述釜体包括呈环形的外壁、底壁，所述外壁、底壁的中心孔供连续油管穿过，所述底壁上设有呈环形的釜体内凹槽，所述釜体内凹槽、外壁之间形成釜体外凹槽，所述外壁上沿径向设有若干调节螺孔，各调节螺孔沿外壁周向均匀分布，各调节螺孔内分别安装有超声波探测器；

密封加压盖，所述密封加压盖呈环形，密封加压盖的中心孔供连续油管穿过，所述密封加压盖的下端设有密封加压盖内凹槽、密封加压盖外凹槽，所述密封加压盖内凹槽对应釜体内凹槽，所述密封加压盖外凹槽对应釜体外凹槽，所述密封加压盖外凹槽的外槽壁盖在釜体的外壁上，并螺纹配合密封，所述密封加压盖的上端设有接头，用于连接自动上扣装置；

橡胶环，其两端分别位于釜体内凹槽和密封加压盖内凹槽中，橡胶环、釜体外凹槽、密封加压盖外凹槽、外壁围合成液压腔室，超声波探测器的超声波探头与橡胶环接触。

优选地，所述橡胶环与釜体内凹槽、密封加压盖内凹槽过盈配合。

优选地，所述密封加压盖外凹槽内设有环形活塞，所述密封加压盖外凹槽的槽底有若干固定杆用于固定环形活塞。

优选地，所述超声波探头与调节螺孔螺纹配合密封。

优选地，所述釜体内凹槽、密封加压盖内凹槽均呈敞口锥形。

优选地，所述釜体内凹槽的槽宽小于釜体外凹槽的槽宽。

优选地，釜体的底壁上沿周向分布有若干固定螺孔，用于将装置固定，各固定螺孔位于釜体的外壁外侧。

优选地，所述橡胶环的材料为耐磨橡胶。

一种现场检测连续油管壁厚的方法，包括：

S1、将橡胶环放入釜体内凹槽中，将超声波探测器安装到位，向液压腔室中加满液体，同时将环形活塞固定于密封加压盖外凹槽内；

S2、将密封加压盖对准橡胶环并拧紧密封加压盖，同时使密封加压盖与釜体通过螺纹连接，橡胶环与密封加压盖内凹槽、斧体内凹槽形成过盈密封，形成足够密封压力，同时对密封加压盖、釜体形成密封，液压腔室内压力为p，初始上扣扭矩为T₀，则液压腔室密封过程中，密封加压盖上的总作用力为：

F_p＝A_pp

式中，A_p—液压腔室横截面积；p—液压腔室压力；F_p—液压腔室压力施加到密封加压盖上的总作用力；

密封加压盖上的作用力产生的附加上扣螺纹力矩由旋转台肩法尔公式计算：

其中：

式中，P—密封螺纹螺距；μ_t—螺纹面摩擦系数；α—螺纹牙承载面角度；R_t—密封螺纹摩擦力矩当量力臂；E₇—螺纹中径；g—非完整螺纹长度；L₇—完整螺纹长度；t_s—螺纹在直径上的锥度；

S3、通过自动上扣装置给密封螺纹上扣，继续加压液体，橡胶环在液压腔室的压力作用下产生变形后会紧贴连续油管，则加压过程中总上扣扭矩与液体腔室压力之间的关系为：

S4、超声波传感器探头紧贴橡胶环外壁并按设定频率和强度发射超声波，连续测量得到每个探头发射的超声波到达橡胶环和连续油管界面的时间以及其在连续油管中传播的时间，在达到设计时间后得到各超声波探测器的监测图像；

S5、分析图像，前段图像会产生较小振幅且很平稳，为声波在橡胶环中的传播图像，当声波第一次传到连续油管外壁时，因介质不同，图像会差生较大振幅，将振幅第一次突变的时间规定为t₀，声波传递到连续油管内壁后反射，随着又传递到外壁再传播到橡胶环，此振幅会慢慢趋于平稳，将趋于平稳时的时间定为t₁，此时声波完成在连续油管中一个周期的传播；

声音在连续油管中的传播速度设为v_s，则根据以下公式计算连续油管的壁厚；

式中，d—测量的连续油管厚度；t₀—超声波传播到油管外壁初始时间；t₁—超声波在油管中传播结束响应时间；v_s—声音在油管中的传播速度。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明装置可与外接固定铆件安装拆卸，能实现现场连续、准确、无损检测壁厚，为连续油管作业疲劳寿命预测提供准确的基础数据，该装置也适用于各种规格的连续油管或其他材质的直管和弯管。

附图说明

图1是本发明现场检测连续油管壁厚的装置结构示意图；

图2是本发明现场检测连续油管壁厚的装置俯视图；

图3是本发明现场检测连续油管壁厚的装置釜体及密封加压盖细部图。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明实施例提供的现场检测连续油管壁厚的装置和方法，其结构包括：釜体5，所述釜体包括呈环形的外壁5-3、底壁5-4，所述外壁、底壁的中心孔供连续油管穿过，按设计尺寸加工完成，所述底壁上设有呈环形的釜体内凹槽，所述釜体内凹槽5-1、外壁之间形成釜体外凹槽5-2，釜体内凹槽5-1窄，釜体外凹槽5-2宽；釜体5下部周向外延部分带有固定螺孔10，通过固定螺孔10可将装置固定，釜体5中部沿周向均匀分布12个调节螺孔，每个调节螺孔中放置1个超声波探头7，并由密封螺纹与调节螺孔连接以保证密封性；密封加压盖2，按设计尺寸加工完成，其形状为内外两个环形凹槽，分别是密封加压盖内凹槽2-1和密封加压盖外凹槽2-2，密封加压盖内凹槽2-1成锥形，锥度1:32～1:16，密封加压盖内凹槽2-1与釜体内凹槽5-1相对应，密封加压盖外凹槽2-2略大于釜体外凹槽5-2，可与釜体外凹槽5-2螺纹密封连接，密封加压盖外凹槽2-2内部采用固定杆3与环形活塞4连接，密封加压盖2上有外接自动上扣装置11的接头，固定杆3、外接自动上扣装置11接头和密封加压盖2为整体连接，环形活塞4与固定杆3具有一定过盈配合，安装上后不会往下滑，固定杆3为8-12根，均匀分布在密封加压盖2上，与密封加压盖2固定且与环形活塞4固定；环形活塞略小于密封加压盖外凹槽且横截面为近梯形状，环形活塞部分伸入釜体外凹槽5-2内，环形活塞作用为接触液面时使液压腔室产生压力。环形活塞4略小于密封加压盖外凹槽2-2内径，便于环形活塞4安装在密封加压盖外凹槽2-2内；釜体内凹槽5-1和密封加压盖内凹槽2-1中放置耐磨橡胶环8，其形状为环形，两端带锥度且与密封加压盖内凹槽2-1匹配，尺寸与釜体内凹槽5-2和密封加压盖内凹槽2-1配套；在釜体5外围中部有超声波探测器6，超声波探测器6与釜体5通过螺纹连接且能密封，超声波探头7在工作中始终紧贴耐磨橡胶环8壁；在圆形中空部分为待测连续油管1，其监测过程中，经过液压腔室9加压使耐磨橡胶环8缓慢、均匀接触连续油管1，过程中使超声波传感器探头7通过紧贴耐磨橡胶环8外壁并按一定频率和强度发射超声波，连续测量得到每个探头接收到超声波到达耐磨橡胶环8和连续油管1界面时间以及其在连续油管1中传播的时间，可计算连续油管1沿轴向和周向的外径和壁厚，可为连续油管1探伤和疲劳寿命预测提供全面准确的基础数据；由釜体5、密封加压盖2、耐磨橡胶环8和环形活塞4形成的空间为液压腔室9，其经过密封加压盖2上的外接自动上扣装置11，可使液压腔室9内部产生压力，从而使耐磨橡胶环8产生变形；整个装置通过釜体5上的固定螺孔10在现场固定。

本发明实施例提供的现场检测连续油管壁厚的方法，包括以下步骤：

步骤一，按设计尺寸加工好釜体5和密封加压盖2；

步骤二，将环形活塞4安装在密封加压盖2上的固定杆3上；

步骤三，将耐磨橡胶环8放入釜体内凹槽5-1中，将超声波探测器6安装到位，向液压腔室9中加满液体。

步骤四，将密封加压盖2对准耐磨橡胶环8并拧紧密封加压盖2，同时使密封加压盖2与釜体5通过螺纹连接，耐磨橡胶环8与密封加压盖内凹槽2-1、斧体内凹槽5-1形成过盈密封，形成足够密封压力，同时对密封加压盖2、釜体5形成密封，液压腔室9内的压力为p，初始上扣扭矩为T₀，则液压腔室9密封过程中，密封加压盖2上的总作用力为：

F_p＝A_pp

式中A_p—液压腔室横截面积，mm²；

p—液压腔室压力，MPa；

F_p—液压腔室压力施加到密封加压盖上的总作用力，N。

密封加压盖2上的作用力产生的附加上扣螺纹力矩可由旋转台肩法尔公式计算

其中：

式中P—密封螺纹螺距，mm；

μ_t—螺纹面摩擦系数，无因次；

α—螺纹牙承载面角度，度；

R_t—密封螺纹摩擦力矩当量力臂，mm；

E₇—螺纹中径，mm；

g—非完整螺纹长度，mm；

L₇—完整螺纹长度，mm；

t_s—螺纹在直径上的锥度，mm/mm。

步骤五，将连续油管1套入整个装置中，并将整个装置通过固定螺孔10固定；

步骤六，当连续油管1工作前，将超声波探测器6连接分析装置12的电脑软件打开并试测，待试测完毕后，若能正常工作，则进入待测状态；

步骤七，通过外接自动上扣装置11给密封螺纹上扣，继续加压液体，耐磨橡胶环8在腔室压力作用下产生变形后会紧贴连续油管1，则加压过程中总上扣扭矩与液体腔室9压力之间的关系为：

步骤八，超声波传感器探头7紧贴耐磨橡胶环8外壁并按一定频率(该频率与油管起出速度和轴向测量精度有关)和强度发射超声波，连续测量得到每个探头发射的超声波到达耐磨橡胶环8和连续油管1界面时间以及其在连续油管1中传播的时间，在达到设计时间后保存各超声波探测器6监测图像；

步骤九，分析图像，前段图像会产生较小振幅且很平稳，为声波在耐磨橡胶环8中的传播图像，当声波第一次传到连续油管1外壁时，因介质不同，图像会差生较大振幅，将振幅第一次突变的时间规定为t₀，声波传递到连续油管1内壁后反射，随着又传递到外壁再传播到耐磨橡胶环8，此振幅会慢慢趋于平稳，将趋于平稳时的时间定为t₁，此时声波完成在连续油管1中一个周期的传播；

步骤十，声音在连续油管1中的传播速度(即声音在钢材中的传播速度)设为v_s，则根据以下公式计算壁厚；

d：测量的连续油管厚度，mm；

t₀：超声波传播到油管外壁初始时间，us；

t₁：超声波在油管中传播结束响应时间，us；

v_s：声音在油管中的传播速度，km/s。

步骤十一，连续油管1在整个起出或下入过程中，通过连续发射超声波，可沿轴向连续测量油管壁厚。同时，当壁厚小于规定值时，通过软件实现危险截面报警。

步骤十二，该装置通过实时监测连续油管1壁厚，可为连续油管1探伤和疲劳寿命预测提供全面准确的基础数据，为连续油管1安全作业提供保障。

本发明实施例提供的现场检测连续油管壁厚的装置包括：连续油管、密封加压盖、固定杆、环形活塞、釜体、超声波探测器、超声波探头、耐磨橡胶环、螺孔、外接自动上扣装置等。密封加压盖、釜体和耐磨橡胶环之间的空隙形成了液压腔室，通过密封加压盖螺纹外接自动上扣装置，使液压腔室产生稳定压力，从而使得连续油管通过时耐磨橡胶环能紧贴其外壁。超声波传感器探头紧贴耐磨橡胶环外壁并按一定频率和强度发射超声波，连续测量得到每个探头超声波到达耐磨橡胶环和连续油管界面时间以及其在连续油管中传播的时间，从而计算连续油管沿轴向和周向的外径和壁厚。整个装置可与外接固定铆件安装拆卸，能实现现场连续、准确、无损检测壁厚，为连续油管作业疲劳寿命预测提供准确的基础数据，该装置也适用于各种规格的连续油管或其他材质的直管和弯管。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，包括：

釜体，所述釜体包括呈环形的外壁、底壁，所述外壁、底壁的中心孔供连续油管穿过，所述底壁上设有呈环形的釜体内凹槽，所述釜体内凹槽、外壁之间形成釜体外凹槽，所述外壁上沿径向设有若干调节螺孔，各调节螺孔沿外壁周向均匀分布，各调节螺孔内分别安装有超声波探测器；

密封加压盖，所述密封加压盖呈环形，密封加压盖的中心孔供连续油管穿过，所述密封加压盖的下端设有密封加压盖内凹槽、密封加压盖外凹槽，所述密封加压盖内凹槽对应釜体内凹槽，所述密封加压盖外凹槽对应釜体外凹槽，所述密封加压盖外凹槽的外槽壁盖在釜体的外壁上，并螺纹配合密封，所述密封加压盖的上端设有接头，用于连接自动上扣装置；

橡胶环，其两端分别位于釜体内凹槽和密封加压盖内凹槽中，橡胶环、釜体外凹槽、密封加压盖外凹槽、外壁围合成液压腔室，超声波探测器的超声波探头与橡胶环接触。

2.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，所述橡胶环与釜体内凹槽、密封加压盖内凹槽过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，所述密封加压盖外凹槽内设有环形活塞，所述密封加压盖外凹槽的槽底有若干固定杆用于固定环形活塞。

4.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，所述超声波探头与调节螺孔螺纹配合密封。

5.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，所述釜体内凹槽、密封加压盖内凹槽均呈敞口锥形。

6.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，所述釜体内凹槽的槽宽小于釜体外凹槽的槽宽。

7.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，釜体的底壁上沿周向分布有若干固定螺孔，用于将装置固定，各固定螺孔位于釜体的外壁外侧。

8.根据权利要求1所述的一种现场检测连续油管壁厚的装置，其特征在于，所述橡胶环的材料为耐磨橡胶。

9.一种现场检测连续油管壁厚的方法，其特征在于，包括：

S1、将橡胶环放入釜体内凹槽中，将超声波探测器安装到位，向液压腔室中加满液体，同时将环形活塞固定于密封加压盖外凹槽内；

S2、将密封加压盖对准橡胶环并拧紧密封加压盖，同时使密封加压盖与釜体通过螺纹连接，橡胶环与密封加压盖内凹槽、斧体内凹槽形成过盈密封，形成足够密封压力，同时对密封加压盖、釜体形成密封，液压腔室内压力为p，初始上扣扭矩为T₀，则液压腔室密封过程中，密封加压盖上的总作用力为：

F_p＝A_pp

式中，A_p—液压腔室横截面积；p—液压腔室压力；F_p—液压腔室压力施加到密封加压盖上的总作用力；

密封加压盖上的作用力产生的附加上扣螺纹力矩由旋转台肩法尔公式计算：

其中：

式中，P—密封螺纹螺距；μ_t—螺纹面摩擦系数；α—螺纹牙承载面角度；R_t—密封螺纹摩擦力矩当量力臂；E₇—螺纹中径；g—非完整螺纹长度；L₇—完整螺纹长度；t_s—螺纹在直径上的锥度；

S3、通过自动上扣装置给密封螺纹上扣，继续加压液体，橡胶环在液压腔室的压力作用下产生变形后会紧贴连续油管，则加压过程中总上扣扭矩与液体腔室压力之间的关系为：

S4、超声波传感器探头紧贴橡胶环外壁并按设定频率和强度发射超声波，连续测量得到每个探头发射的超声波到达橡胶环和连续油管界面的时间以及其在连续油管中传播的时间，在达到设计时间后得到各超声波探测器的监测图像；

S5、分析图像，前段图像会产生较小振幅且很平稳，为声波在橡胶环中的传播图像，当声波第一次传到连续油管外壁时，因介质不同，图像会差生较大振幅，将振幅第一次突变的时间规定为t₀，声波传递到连续油管内壁后反射，随着又传递到外壁再传播到橡胶环，此振幅会慢慢趋于平稳，将趋于平稳时的时间定为t₁，此时声波完成在连续油管中一个周期的传播；

声音在连续油管中的传播速度设为v_s，则根据以下公式计算连续油管的壁厚；

式中，d—测量的连续油管厚度；t₀—超声波传播到油管外壁初始时间；t₁—超声波在油管中传播结束响应时间；v_s—声音在油管中的传播速度。

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