鉆具內螺紋應力檢測裝置的制作方法

本發明涉及無損檢測技術，尤其涉及一種鉆具內螺紋應力檢測裝置。

背景技術：

鉆具是石油開采過程中的一種重要器材，根據多年來鉆具損傷經驗，鉆具最容易損傷的部位為鉆桿螺紋接頭部分。對于鉆具接頭內螺紋的斷裂裂紋常發生在最后嚙合部位的螺扣處，這主要緣于鉆具接頭內螺紋的幾何結構及螺紋根部的應力集中效應。在鉆具內外螺紋連接后，外螺紋小端截面積突然由內外兩螺紋截面變為只有內螺紋截面，此處將產生應力集中，成為疲勞斷裂的薄弱環節，使之在復合交變應力作用下容易發生疲勞裂紋，同時內螺紋根部受到泥漿的渦流沖擊和腐蝕，容易形成尖銳切口，加深應力集中發生破壞，在循環應力和腐蝕介質雙重作用下疲勞裂紋擴展直至斷裂。

鉆具接頭內螺紋斷裂失效，嚴重降低工作效率，造成巨大的經濟損失。所以，對鉆桿螺紋進行早期的無損診斷，能夠有效減少此類事故的發生。由于螺紋部位幾何結構相對復雜，壁厚較大，現有的常規無損檢測技術手段在早期診斷鉆具接頭內螺紋部位應力集中異常和微裂紋方面存在明顯不足。實踐證明，現有的無損探傷技術(如渦流、超聲、x射線等)，對于檢測已出現的宏觀缺陷較為有效，但無法從疲勞損傷的根源(微觀缺陷和應力集中區)上對鉆具技術狀態做出早期評定。

磁記憶檢測技術為鐵磁性金屬工件的疲勞和蠕變產生的微裂紋檢測提供了解決思路，其基本原理是：鐵磁性金屬工件由于疲勞和蠕變產生的微裂紋會在缺陷處出現應力集中，由于鐵磁性金屬工件存在磁記憶效應，其表面上的磁場分布與工件應力載荷有一定的對應關系，可以通過檢測工件表面的磁場分布狀況間接地對工件的缺陷和應力集中區進行診斷。所謂磁記憶效應，就是鐵磁性金屬工件在加工和運行時，由于受載荷和地磁場共同作用，在應力和變形集中區域會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留，還與最大作 用應力有關，鐵磁性金屬工件表面的這種磁狀態“記憶”著微觀缺陷或應力集中的位置。當處于地磁場環境中的鐵磁性金屬工件受到外部載荷作用時，在應力集中區域會產生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，該部位會出現磁疇的固定節點，產生磁極，形成退磁場，使此處鐵磁性金屬工件的磁導率最小，在鐵磁性金屬工件表面形成漏磁場，該漏磁場強度的切向分量具有最大值，而法向分量符號改變并具有零值。因此，基于鐵磁性金屬工件的磁記憶效應的基本原理，通過記錄垂直于金屬構件表面的磁場強度分量沿某一方向的分布情況，可以對構件的應力集中程度以及是否存在微觀缺陷進行評價。然而，只有獲取精確的鐵磁性金屬工件表面的磁記憶信號，才能真正為鐵磁性金屬工件的技術狀態的早期評定提供準確的依據。

技術實現要素：

本發明提供一種鉆具內螺紋應力檢測裝置，主要用于獲取精確的鉆具內螺紋表面的磁記憶信號，根據金屬磁記憶檢測原理實現對鉆具內螺紋的缺陷和應力集中區進行診斷，為鉆具的早期探傷提供準確的依據。

本發明提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置，包括：錐筒、檢測機構和傳動機構；其中，所述檢測機構包括多個檢測器，所述檢測器包括沿所述錐筒周向設置的導桿和設置在導桿上的金屬磁記憶傳感器；所述傳動機構與所述導桿連接以驅動所述金屬磁記憶傳感器沿所述鉆具內螺紋的錐面母線運動。

進一步的，上述錐筒由錐底和筒體組成，所述錐底沿周向均勻開設多個通孔，所述通孔中設置有直線軸承，所述筒體上沿所述錐筒母線開設有與所述通孔相對應的多個導向槽，所述導桿設置在所述導向槽中并與所述直線軸承軸連接。

進一步的，上述傳動機構包括：絲杠電機、弓簧座和多個弓簧片；所述絲杠電機固定在所述錐筒的底面中心，所述絲杠電機的絲杠貫穿所述錐筒的軸線，所述絲杠電機的絲杠螺母安裝于所述絲杠上，所述絲杠螺母與所述弓簧座固定連接，所述多個弓簧片沿所述弓簧座周向均勻設置，所述多個弓簧片分別與所述多個檢測器一一對應連接。

進一步的，上述檢測器還包括：用于放置所述金屬磁記憶傳感器的傳感器盒，所述傳感器盒由連接部和安裝部組成；所述連接部位于靠近所述錐筒 軸線一側，用于連接所述弓簧片和所述導桿；所述安裝部的表面具有與鉆具內螺紋相配合的弧度，所述安裝部的表面開設有多個用于安裝所述金屬磁記憶傳感器的凹槽。

進一步的，上述錐筒的底面中心開設有沉槽，所述絲杠電機安裝于所述沉槽中。

進一步的，上述檢測裝置還包括保護罩，所述保護罩罩設在所述錐筒底面上，用于保護所述絲桿電機。

進一步的，上述弓簧座沿周向均勻開設多個限位槽，用于安裝和限位所述弓簧片。

進一步的，上述傳動機構還包括端蓋，用于安裝固定所述弓簧座。

進一步的，上述檢測裝置還包括手柄，所述手柄設置于所述錐筒上。

進一步的，上述手柄上設置有控制按鈕，所述控制按鈕與所述傳動機構連接。

基于上述，本發明提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置，通過設置多個與鉆具內螺紋錐面相配合的金屬磁記憶傳感器沿鉆具內螺紋的錐面母線運動，從而獲取精確的鉆具內螺紋的磁記憶信號，根據金屬磁記憶檢測原理實現對鉆具內螺紋的缺陷和應力集中區進行診斷，為鉆具的早期探傷提供準確的依據。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作一簡單地說明，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置結構示意圖；

圖2為圖1的剖面結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置的應用示意圖；

圖4為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置中的錐筒結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置中直線軸承、檢測器和傳動機構連接示意圖。

附圖標記說明：

A：檢測裝置； B：鉆桿內螺紋套；

1：錐筒； 10：錐底；

101：通孔； 102：直線軸承；

103：沉槽； 12：筒體；

121：導向槽； 2：檢測機構；

20：檢測器； 201：金屬磁記憶傳感器；

202：導桿； 203：傳感器盒；

2031：連接部； 2032：安裝部；

204：擋片； 3：傳動機構；

30：絲桿電機； 301：絲杠；

302：絲杠螺母； 32：弓簧座；

321：限位槽； 34：弓簧片；

36：端蓋； 4：保護罩；

5：手柄； 50：控制按鈕；

52：固定孔。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖1為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置結構示意圖， 圖2為圖1的剖面結構示意圖。如圖1和圖2所示，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置A包括：錐筒1、檢測機構2和傳動機構3。

具體的，檢測機構2可以包括多個檢測器20，可以理解的是，檢測器20的個數以可以沿錐筒周向均勻緊湊排列為最佳。

其中，檢測器20可以包括沿所述錐筒1周向設置的導桿202和設置在導桿202上的金屬磁記憶傳感器201。所述傳動機構3與所述導桿202連接以 驅動所述金屬磁記憶傳感器201沿鉆具內螺紋的錐面母線運動。金屬磁記憶傳感器201用于獲取鉆具內螺紋表面的磁記憶信號。

圖3為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置的應用示意圖，下面將結合圖3對本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置的檢測過程做示意性說明。如圖3所示，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置A，沿錐筒周向布設多個金屬磁記憶傳感器，由于鉆桿內螺紋套B的內壁呈錐形面，從而使金屬磁記憶傳感器可以與鉆桿內螺紋套B的內壁相配合，并沿鉆具內螺紋錐面母線移動，對鉆桿內螺紋進行較為完整的檢測。

在實際應用中，可以通過金屬磁記憶傳感器采集被測鉆桿內螺紋套的螺紋內壁的磁記憶信號，然后根據金屬磁記憶檢測的原理對所采集的磁記憶信號進行分析，找出鉆桿內螺紋套的應力集中區，從而實現對鉆桿內螺紋套的受損部位和受損程度進行檢測。而且，在檢測前，無需對鉆桿內螺紋套進行充磁和清理，使用方便。

需要說明的是，在實際應用中，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置A的結構尺寸，可以依據待檢測鉆具的結構尺寸而定。例如，針對不同型號的鉆桿，鉆桿內螺紋套B的粗細以及螺紋套內壁錐形面的傾斜度不同，相應的，所使用的檢測裝置的錐筒的尺寸也會不同，鉆桿內螺紋套B的螺紋長度不同，相應的，所使用的檢測裝置的導桿長度(或所述金屬磁記憶傳感器可移動的范圍)也不同。

在實際應用中，還可以在上述的檢測裝置上設置一手柄5。優選的，手柄5可以設置在錐筒1上。示例性的，手柄5可以制作為一彎折結構，手柄5與錐筒1的固定端具有與錐筒1的錐面相配合的弧度。進一步的，可以在手柄的彎折處開設與固定端垂直的固定孔52，然后通過螺母將手柄固定在錐筒上。

進一步的，還可以在手柄5上設置一控制按鈕50，并將控制按鈕50與傳動機構3連接，用于控制傳動機構3。具體的，控制按鈕50可以與傳動機構3的動力裝置電連接。

示例性的，控制按鈕50具體可以包括上位、零位和下位三個檔位。當控制按鈕50撥至上位時，傳動機構3將驅動所述金屬磁記憶傳感器201向靠近錐筒1一側運動；當控制按鈕50撥至下位時，傳動機構3將驅動所述金屬磁 記憶傳感器201向遠離錐筒1一側運動；當控制按鈕50撥至零位時，傳動機構3將停止驅動所述金屬磁記憶傳感器201運動。

作為一種較佳的實施方式，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置中的錐筒可以采用圖4所示的結構，用于布設檢測機構2。圖4為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置中的錐筒結構示意圖，如圖4所示，錐筒1由錐底10和筒體12組成。其中，錐底10沿周向均勻開設多個通孔101，通孔101中設置有直線軸承102，筒體12上沿錐筒1的母線方向開設有與通孔101相對應的多個導向槽121；可以將導桿202設置在所述導向槽121中并與所述直線軸承102軸連接。優選的，通孔101的軸線可以與其對應的導向槽平行。

作為一種優選的實施方式，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置中的傳動機構3的動力裝置可以采用步進電機，具體的，可以使用絲杠電機。如圖2所示，傳動機構3具體可以包括絲杠電機30、弓簧座32和弓簧片34，其中弓簧片34的數量為多個，且弓簧片34的數量與檢測器的數量相對應。

進一步的，作為一種可選的實施方式，絲杠電機30可以固定在錐筒1的底面中心，絲杠電機30的絲杠301貫穿錐筒1的軸線，絲杠電機30的絲杠螺母302安裝于絲杠301上，絲杠螺母302與弓簧座32固定連接，弓簧片34沿弓簧座32周向均勻設置，弓簧片34分別與檢測器20一一對應連接。

優選的，可以在錐筒1的底面中心開設一沉槽103，將絲杠電機30安裝于沉槽103中。

作為一種可選的實施方式，還可以在錐筒1的底面上罩設一保護罩4，用于保護絲桿電機30。進一步，也可以將整個檢測裝置的連接線路，例如控制按鈕50與絲杠電機30之間的電線布設在保護罩中。

具體的，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置A中的錐筒1、檢測機構2和傳動機構3的連接方式可以參照圖5所示的連接結構，其中圖5為本發明實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置中直線軸承、檢測器和傳動機構連接示意圖。如圖5所示，檢測器20的導桿202的一端與直線軸承102軸連接，導桿202的另一端與弓簧片34連接，金屬磁記憶傳感器201設置于導桿202上。

進一步的，作為一種優選的實施方式，可以在檢測器20的導桿202上設 置一用于放置金屬磁記憶傳感器201的傳感器盒203。具體的，傳感器盒203可以分為連接部2031和安裝部2032兩部分，示例性的，連接部2031和安裝部2032可以組成一倒“凸”形。其中，連接部2031位于靠近錐筒1的軸線一側，用于連接導桿202和弓簧片34，安裝部2032用于安裝金屬磁記憶傳感器201。

進一步的，安裝部2032的表面具有與鉆具內螺紋相配合的弧度，可以在安裝部2032的表面開設有多個用于安裝所述金屬磁記憶傳感器201的凹槽，從而可以保證檢測機構與螺紋內壁完全貼合，進一步確保所獲取的鉆具內螺紋的磁記憶信號的精確性。

優選的，可以在安裝部2032的表面開設兩個與導桿202的長度方向相平行的凹槽，將金屬磁記憶傳感器201布設在凹槽中，可以確保在檢測過程中金屬磁記憶傳感器201沿鉆具內螺紋的內壁周向均勻緊湊排列，對鉆桿內螺紋進行較為完整的檢測。

進一步的，作為一種可選的實施方式，可以在導桿202與傳感器盒203相連接的一端開設螺紋孔，并在傳感器盒203的連接部2031上開設第一固定槽，通過固定螺釘將導桿固定在連接部的第一固定槽中。可以理解，第一固定槽的寬度等于導桿端面的直徑。

作為另一種可選的實施方式，導桿202與傳感器盒203可以通過擋片204實現連接，示例性的，可以在導桿202上與傳感器盒203相連接的一端沿周向開設一凹槽，將擋片204卡接在凹槽中。可以理解，該凹槽的厚度等于擋片204的厚度，擋片204的形狀與傳感器盒203的截面相同。進一步的，可以通過固定螺釘將擋片固定在傳感器盒上。

進一步的，作為一種可選的實施方式，可以在弓簧片34上與傳感器盒相連接的一端開設螺紋孔，并在傳感器盒203的連接部2031上開設第二固定槽，通過固定螺釘將弓簧片固定在連接部的第二固定槽中。可以理解，第二固定槽的寬度等于弓簧片的寬度。

進一步的，作為一種可選的實施方式，還可以將弓簧片34與弓簧座32相連接的一端設置為彎折結構，用于將弓簧片倒掛在弓簧座上。進一步的，還可以在弓簧座上沿周向均勻開設用于安裝和限位所述弓簧片的限位槽321。顯而易見的，限位槽321的寬度等于弓簧片34的寬度。另外，還可以在弓簧 座外設置一端蓋36，用于安裝固定所述弓簧座。可以理解，弓簧片的彎折結構可以卡裝在所述弓簧座32與端蓋36之間。優選的，弓簧座32可以為一圓柱體，且其與端蓋連接一端開設有螺紋孔，通過螺釘將弓簧座與端蓋連接。

在實際應用中，本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置，通過絲杠電機轉動，其絲杠會帶動絲杠螺母沿絲杠長度方向運動，進而帶動弓簧座沿絲杠長度方向運動，即沿錐筒的軸向運動。弓簧座推動弓簧片，進而推動金屬磁記憶傳感器，同時安裝金屬磁記憶傳感器的傳感器盒在導桿的引導作用下，緊貼鉆桿螺紋內壁并沿螺紋錐面的母線方向運動，從而采集鉆桿內螺紋的磁記憶信號。通過弓簧片來推動檢測器運動，不僅能夠使整個檢測機構相對穩定的沿螺紋錐面運動，而且能夠使整個所述檢測裝置保持一定的張力，還具有一定的緩沖作用。

值得一提的是，上述檢測裝置中錐筒的錐底部位應大于待檢測鉆桿內螺紋的管徑，絲杠電機的行程要大于所需要檢測內螺紋的長度。

本實施例提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置，通過設置多個與鉆具內螺紋錐面相配合的金屬磁記憶傳感器沿鉆具內螺紋的錐面母線運動，從而獲取精確的鉆具內螺紋的磁記憶信號，根據金屬磁記憶檢測原理實現對鉆具內螺紋的缺陷和應力集中區進行診斷，為鉆具的早期探傷提供準確的依據。同時，本發明提供的鉆具內螺紋應力檢測裝置尺寸小、質量輕、結構簡單，能夠靈活移動，在檢測過程中，操作方便。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。