УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗЬБОВОГО УЧАСТКА ТРУБЫ С НАРУЖНОЙ РЕЗЬБОЙ

Устройство контроля параметров резьбового участка трубы с
наружной резьбой
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при производстве и эксплуатации разнообразных изедлий, имеющих наружную резьбу, например, труб, используемых для сборки колонн насосно-компрессорных, бурильных, обсадных и др. труб, болтов, инструментов и т.д.
Известно устройство контроля резьбы бурильных труб 1, содержащее узел базирования, в который устанавливают контролируемую трубу, и обойму с калибром, который навинчивают с определенным усилием на трубу вручную или с помощью механики и при этом автоматически контролируют усилие навинчивания. По этому усилию судят о качестве резьбы.
Недостатком известного устройства является то, что оно пригодно для контроля только новых труб, и не годится для регламентных работ, поскольку износ резьбы бурильных труб неравномерный. Кроме того, данное устройство не дает достоверной информации, поскольку о качестве резьбы судят по косвенному параметру - усилию навинчивания. Процесс измерения на этом оборудовании трудоемок и неудобен. Другие параметры резьбового участка трубы с наружной резьбой: внутренний диаметр трубы, толщина стенок ее неравномерность и утонение, наличие дефектов, ржавчины и д.р., известным устройством не контролируются.
Наиболее близким по технической сущности является устройство контроля натяга конической резьбы 2, которое выбрано за прототип . Устройство - прототип содержит позицию контроля и калибркольцо, который навинчивается на резьбу контролируемой детали. Имеется контактный датчик, который при начале навинчивания приходит в соприкосновение с контролируемой деталью и сигнал от которого через токосъемник передается на датчик, который включает регистрирующее устройство подсчета числа оборотов калибра-кольца
рирующее устройство подсчета числа оборотов калибра-кольца до момента превышения усилия навинчивания заданного значения.
Устройство-прототип обладает рядом недостатков. Оно пригодно в основном для контроля новых труб и не годится для регламентных и восстановительных работ, поскольку износ резьбы насоснокомпреесорных, бурильных и др. труб неравномерный. При этом необходимо определить место и степень износа конкретного витка, чтобы выяснить, можно ли данную резьбу эксплуатировать дальше, нужен ли ремонт и какой. Известное устройство не дает достоверной информации, поскольку о качестве резьбы судят по косвенному параметру - числу оборотов калибра при навинчивании. Другие параметры резьбового участка трубы с наружной резьбой: внутренний диаметр трубы, толщина стенок ее неравномерность и утонение, наличие дефектов, ржавчины и д.р., известным устройством не контролируются.
В то же время известно, что резьбовое соединение насоснокомпрессорных и бурильных труб испытывает очень большую нагрузку (как статическую - растягивающее усилие от веса колонны, так и динамическую, вызванную движениями инструмента и растворов, различными вибрациями), а также разрушающее воздействие агрессивных сред. Может возникнуть ситуация, когда витки резьбы находятся в удовлетворительном состоянии, а тело трубы имеет области критического износа, вплоть до нарушения ее целостности. На практике очень важно иметь объективную картину состояния всего резьбового участка в целом, включая внутреннюю поверхность и стенки трубы.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение - создание устройства контроля параметров резьбового участка трубы с наружной резьбой и оборудования для реализации данного устройства в процессе регламентных и восстановительных работ, позволяющее иметь максимально полную объективную картину резьбового участка изделия, с тем, чтобы оперативно решать вопрос о возможности дальнейшей эксплуатации данного участка изделия или необходимости и объеме его ремонта.
Поставленная задача решается устройством для контроля резьбового участка трубы с наружной резьбой, содержащим узел базирования для установки контролируемого изделия, средство для съема информации и средство для ее обработки, анализа и представления в котором в отличие от прототипа, узел базирования представляет собой механизм сканирования, выполненный, например, в виде полой цилиндрической трубы, установленной с возможностью перемещения вдоль продольной оси на подставках, жестко связанных с координатным столом, выполненным с возможностью перемещения вдоль продольной оси контролируемого изделия, на перемещаемом столе закреплено средство для съема информации, представляющее собой две платформы, на первой из которых установлен канал измерения геометрии наружной поверхности трубы, содержащий первый источник параллельного светового потока, например, лазерный, и первый приемник светового потока, выполненный в виде фотоприемной матрицы, выход которой соединен с блоком первичной обработки информации, выход которого соединен с блоком анализа и представления информации, в качестве которого использована ПЭВМ, первый источник и первый приемник светового потока оптически сопряжены с контролируемым изделием, на второй платформе расположен канал измерения геометрии внутренней поверхности трубы, содержащий второй источник параллельного светового потока и второй приемник светового потока, причем вторые источник и приемник светового потока оптически сопряжены между собой через внутреннюю поверхность контролируемого изделия (трубы).
Поставленная задача решается также тем, что на оптическом пути светового потока от второго источника к контролируемому изделию и отраженного светового потока от контролируемого изделия ко второму приемнику расположено отклоняющее устройство, выполненное в виде поворотного зеркала, которое может занимать два угловых положения - первое для контроля начала А трубы, и второе - для контроля конца Б трубы/ связанное с электроприводом, который в свою очередь связан с ПЭВМ.
Кроме того, поставленная задача решается тем, механизм сканирования оснащен дополнительным каналом измерения наружной геометрии трубы, установленным на дополнительной платформе, расположенной параллельно первой платформе (на которой находится первый канал измерения наружной геометрии резьбы), но с противоположной стороны относительно оси трубы.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что координатный стол снабжен датчиком координат и электроприводом перемещений, соединенными с ПЭВМ, а узел базирования снабжен датчиком и электроприводом поворота, соединенными с ПЭВМ.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства.
Устройство для контроля резьбы состоит из узла базирования 1, выполненного в виде перемещаемого стола, внутри которого располагается участок А контролируемого изделия 5 (труба с наружной резьбой на обоих концах А и Б ). Узел базирования 1 установлен на подшипниках б и 7, которые, в свою очередь, жестко закреплены на координатном столе 7, выполненным с возможностью перемещения вдоль продольной оси на опоре 8. Для обеспечения продольного перемещения координатный стол 7 снабжен датчиком и электроприводом перемещения (не показан). На узле базирования 1 жестко закреплено устройство для снятия информации, содержащее платформы 9 и 10. На платформе 9 закреплены первый источник параллельного светового потока, например, лазерный излучатель 11 и первый приемник светового потока 12, выполненный в виде фотоприемной матрицы, выход которой соединен с блоком первичной обработки информации 13, выход которого соединен с блоком анализа и представления информации, в качестве которого использована ПЭВМ 14. Первый источник 11 и первый приемник 12 светового потока расположены по разные стороны зоны контроля и совмещены с первой прорезью 3, благодаря чему они оптически сопряжены с участком А или В контролируемого изделия 5.
второй приемник светового потока 16. Вторые источник и приемник светового потока совмещены со второй прорезью 4 в полой цилиндрической трубе 2. Кроме того, они оптически сопряжены между собой через внутреннюю поверхность контролируемой трубы 5. На оптическом пути светового потока от второго источника 15 к контролируемому изделию 5 и отраженного луча от контролируемого изделия 5 ко второму приемнику 16 расположено отклоняющее устройство 17, выполненное в виде поворотного зеркала, которое может занимать два угловых положения - первое для контроля начала А трубы, и второе - для контроля конца Б трубы. Требуемое положение отклоняющего устройства 17 обеспечивается электроприводом ( не показан), связанным с ПЭВМ 14. Это позволяет осуществлять измерения и контроль внутреннего диаметра по внутренней поверхности участка переднего А и заднего конца Б трубы на одном устройстве без перенастроек.
Узел базирования 1 выполнен с возможностью поворота вокруг своей оси на любой угол для обеспечения измерений всей резьбовой поверхности, в частности на угол 180° для определения наружного диаметра трубы 5. Для задания углового положения узла базирования 1 имеется датчик и электропривод поворота, например, на основе шагового электродвигателя (не показан). Электропривод перемещения и электропривод поворота связаны с ПЭВМ 14. Электрические сигналы с первого 12 и второго 16 приемников светового потока подаются на блок первичной обработки информации 13.
Введение дополнительного теневого канала контроля наружной геометрии трубы, состоящего из источника параллельного светового потока 11 и приемника светового потока 12, соединенного с блоком первичной обработки информации 13, позволяет вдвое ускорить процесс сканирования одного сечения (в сравнении с одноканальным вариантом, в котором используется вращение), повысить точность измерений в условиях вибрации. В тех случаях, когда требуется отсканировать всю поверхность резьбы, двухканальный вариант дает двухкратный выигрыш по скорости, так как количество проходов
уменьшается вдвое.
Вместе с тем дополнительный канал усложняет и удорожает конструкцию, так как это требует больше аппаратных затрат, кроме того необходимо тщательно согласовывать каналы между собой.
Блок первичной обработки информации 13 содержит два идентичных канала для обработки поступающих информационных сигналов. Каждый канал представляет собой последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение 18, схему выделения полезного сигнала 19, аналого - цифровой преобразователь 20, выход которого соединен с ПЭВМ 14. Реализация всех этих элементов, входящих в блок первичной обработки информации 13 является общеизвестной.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Контролируемое изделие 5 подводится к узлу контроля, позиционируется в узел базирования 1 таким образом, чтобы начало А резьбового участка контролируемого изделия 5 примерно совпало с началом прорези 3. Включается привод продольного перемещения координатного стола 7, начинается движение узла базирования 1 вдоль неподвижного контролируемого изделия 5 и сканирование его резьбового участка А световым потоком от источника 11. Фотоприемная матрица 12 засвечивается в соответствии с профилем резьбы наружной поверхности участка А трубы. Соответствующие электрические информационные сигналы выделяются и предварительно обрабатываются в блоке 13 первичной обработки информации, откуда поступают в ПЭВМ 14. Туда же поступают данные о линейных и угловых координатах устройства для снятия информации.
При измерении реализуется теневой или триангуляционный метод контроля профиля резьбы. На фиг.1 приведено устройство на базе теневого метода контроля.
Измерение параметров наружной резьбы теневым методом характеризуется тем, что при этом имеет место:
- минимально возможное влияние качества поверхности на результаты измерения
-ширина зоны измерения минимальна и достигает до 5-25 мкм, в зависимости от оптического масштаба
-минимально влияние возможных смещений оси контролируемого изделия 5 ( трубы } в поперечных направлениях.
Однако теневой метод контроля имеет и ограничения: необходимо ось светового потока выставлять строго вдоль ниток резьбы, что сложно обеспечить при нестабильном положении трубы, при различных диаметре и шаге резьбы.
Триангуляционный метод контроля при измерении параметров резьбы менее критичен к нестабильному положению трубы, при различных диаметрах, шаге резьбы и очаговых загрязнениях.
После проведения измерений (сканирования) резьбового участка А в одном угловом положении, поворачивают полую цилиндрическую трубу 2 на 180 ° и измерения повторяются вновь, что дает возможность определить наружный диаметр контролируемого изделия 5. В случае необходимости задают угол поворота цилиндрической трубы 2 в любое другое угловое положение. Величина шага поворота задается исходя из требуемой дискретности измерений образующей резьбовой поверхности изделия. Проконтролировав изделие в одном сечении, осуществляют продольное перемещение узла базирования на заданный шаг и аналогично измеряют параметры резьбы на сечении под другим углом.
Одновременно с измерениями наружной резьбы трубы проводится контроль внутренней поверхности С участка Б конца трубы 5 - его внутреннего диаметра. Принцип измерения внутреннего диаметра основан на триангуляционном методе. Измерения внутреннего диаметра проводится через прорезь 4. С платформы 10 от второго источника 15 узкий световой поток (луч) через отклоняющее устройство 17 подается на внутреннюю поверхность С контролируемой трубы 5 в виде небольшого светового пятна. Часть этого отраженного (рассеянного) светового потока в виде изображения светового пятна через объектив (не показан) проецируется на второй приемник 16 (фотоприемную матрицу), который преобразует изображение в
электрический сигнал (видеосигнал) и далее обрабатывается в блоках 13 и 14. Производится сканирование внутренней поверхности С контролируемой трубы 5. Соответствующие электрические информационные сигналы выделяются и предварительно обрабатываются в блоке первичной обработки информации 13, откуда поступают в ПЭВМ 14. Туда же поступают данные о линейных и угловых координатах устройства для снятия информации.
На пути светового потока от второго источника 15 к контролируемому изделию 5 и отраженного луча от контролируемого изделия 5 к приемнику 16 расположено отклоняющего устройство 17, которое изменяет направление светового потока. Отклоняющее устройство 17 занимает два угловых положения - первое для контроля начала А трубы, и второе - для контроля конца Б трубы. Требуемое положение обеспечивается электроприводом, связанным с ПЭВМ 14. Это позволяет осуществлять измерения внутреннего диаметра по внутренней поверхности С участка переднего А и заднего Б конца трубы на одном устройстве без перенастроек.
Одновременные измерения наружной А и внутренней С поверхностей позволяют получить информацию о параметрах резьбового участка трубы с наружной резьбой, в том числе о: внутреннем диаметре трубы, толщине стенок, ее неравномерности и утонениях, наличии дефектов, ржавчины и д.р., на участке, ограниченном зоной до первых 3-10 витков от торца. Также определяется наличие внутренней фаски торца трубы и измеряются ее параметры.
Заявляемое устройство прошло проверку на заявляемой системе, реализованной на предприятии - заявителе.
Система контролирует параметры резьбы при контрольносортировочных работах ( КСР ), проводимых АСУ ТП в 2-х вариантах:
-при предварительной интегральной оценке резьбы в целом по одному условному продольному сечению резьбы
-при дифференциальной окончательной оценке резьбы по нескольким продольным сечениям резьбы.
Для управления заявляемым устройством и обработки получаемых данных о геометрии конца трубы с резьбой разработано оригинальное специализированное программное обеспечение.