专利名称：油井钻杆直度检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种油井钻杆制造技术领域的检测装置及检测方法，具体是一种基于多 参数非接触随动方式的油井钻杆直度检测装置及其检测方法。
背景技术：
随着我国经济持续快速的增长，石油资源在国民经济中所处的战略地位日渐突现。除了 积极从国际原油市场上筹措石油资源外，我国也加大了对国内石油资源的开采和勘探。石油 工业专用的无缝钢管抓油井管(包含有钻柱构件(油井钻杆、钻铤等)和套管)管是石油
工业的基础物资。目前，钻井钻探深度已达ioooo米以上，这对油井钻杆提出了更高的要求
，特别是直度的要求。直度偏差大的油井钻杆，使得误差随油井深度不断累计，直至巨大的 离心力致其折断，将导致价值数千万元、乃至上亿元的油井报废。根据《美国石油学会标准
油井钻杆规范(APISPEC 5D)》，对油井钻杆偏心度的检测要求是用座架规在距离加厚 末端5 6inch范围内测量的最大偏心度不应超过0. 093inch (2. 3622mm)。对于钢管制造企 业来说，油井钻杆的两端加厚端(晃头)、两端矫直盲区、两端1.5m弦高等都必需检测。
经对现有技术文献的检索发现《美国石油学会标准油井钻杆规范(APISPEC 5D)》对 油井钻杆偏心度的检测是用座架规来实现的。油井钻杆在旋转检测过程中，由于旋转滚轮运 动不同步、及其表面磨损等因素，会引起油井钻杆的偏摆或跳动。座架规的优点则是本身骑 坐在油井钻杆表面，与油井钻杆同步偏摆或跳动，这样可以将偏摆或跳动所引起的误差从检 测结果中剔除。但是，座架规是由人工手持操作，为机械接触式， 一次只能检测一个截面， 检测效率较低，检测误差较大，无法实现在线全自动检测。
又经检索发现薛婷、杨学友等学者在天津大学学报，2003年03期上发表文章，介绍了 钢管直线度测量视觉传感器的优化设计与标定，其方法是分别在无缝钢管的两端lm内各布 置5个激光视觉传感器，分段同时测量的方案，由半导体激光器LD发出一束光平面，它与无缝 钢管相截后，在钢管外圆表面形成一条椭圆�。蒀CD摄像机接收各椭圆弧的图像，经计算机 实时图像处理求得各椭圆弧中心在世界坐标系中的坐标。在计算机控制下，使液压传动机构 带动钢管与一端定位开关相接触，此时定位开关向计算机发出测量脉冲信号，经过lmin左右 的延时，待钢管稳定后，由计算机控制该端5个视觉传感器，快速采集5个光平面与钢管相截时 的椭圆弧图像。尔后，计算机控制液压传动机构带动钢管移动到另一端，并采集该端5个传感
4器的测量信号。最后计算机对10幅图像进行处理，并经前述算法，求出钢管的直线度误差。该 方法是通过CCD拍摄5个激光器发出的光平面在钢管表面形成的椭圆弧图像，然后通过图像处 理分析来确定所测测量段的直线度。该方法的不足是钢管是处于静态情况下，没有动态检 测钢管一周的数据来判断钢管弯曲情况，以及弯曲点的相位位置和轴向位置。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种油井钻杆直度检测装置及其检测方法， 实现油井钻杆的两端晃头(两端加厚端)、两端矫直盲区、两端l. 5m弦高等多个参数全方位 、全自动的检测。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明涉及油井钻杆直度检测装置包括检测架、传感器、传动转轮、支撑脚、相位角 检测器和两个检测器驱动装置，其中检测架通过支撑脚悬吊设置，传感器、相位角检测器 和两个检测器驱动装置分别活动设置于检测架上，检测器驱动装置分别对称设置于检测架的 两侧，相位角检测器固定设置于一个检测器驱动装置上并与待测油井钻杆相接触，传动转轮 位于待测油井钻杆下方，传动转轮、传感器、相位角检测器和两个检测器驱动装置分别连接 至检测终端。
所述的检测架为长筒形结构。
所述的传动转轮包括分别设置于待测油井钻杆下面的旋转轮和纵向传动转轮，其中 若干组旋转轮的旋转中心线与待测油井钻杆的中心线平行，若干组纵向传动转轮的轴心与待 测油井钻杆的中心线垂直，旋转轮和纵向传动转轮分别连接至检测终端以驱动待测油井钻杆 圆周旋转转动或轴向移动。
所述的支撑脚包括螺杆、套筒和支撑板，其中套筒与支撑板固定连接，支撑板固定 设置于检测架外，螺杆的一端与检测架固定连接，螺杆的另一端与套筒活动连接。
所述的传感器包括若干组激光位移传感器、左端激光粗精定位传感器和右端激光粗精 定位传感器，其中若干组激光位移传感器固定设置于检测架的下侧，左端激光粗精定位传 感器和右端激光粗精定位传感器分别固定设置于检测架的左右两端下侧，激光位移传感器、 左端激光粗精定位传感器和右端激光粗精定位传感器分别连接至检测终端。
所述的检测器驱动装置包括滚动轴承、V形块、V形块连接板、导向套、导向杆、导向 杆连接板、气缸活塞杆、气缸和气缸座，其中滚动轴承转动设置于V形块的下端并与待测 油井钻杆相接触，导向套固定设置于检测架上，导向杆活动设置于导向套内，v形块与导向 套中的导向杆的下端通过V形块连接板连接，导向杆的上端与导向杆连接板连接，导向杆连接板与气缸活塞杆连接，气缸通过气缸座固定设置于检测架上。
所述的相位角检测器包括旋转编码器、压轮、滑块和弹簧，其中滑块与检测器驱动 装置活动连接，旋转编码器固定设置于滑块中，压轮与旋转编码器的旋转轴固定连接并与待 测油井钻杆相接触，旋转编码器的输出端与检测终端相连接，弹簧的一端与滑块固定连接， 弹簧的另一端与检测器驱动装置相接触，弹簧向滑块施加向下的推力。
本发明涉及上述油井钻杆直度检测装置的检测方法，包括以下步骤
第一步、所有纵向传动转轮同时向上抬起油井钻杆并驱动油井钻杆向左移动，当油井钻 杆移动到检测架的左端被左端激光粗精定位传感器检测到后停止移动，所有纵向传动转轮向 下移动，此时油井钻杆7被搁置在旋转轮上；
第二步、检测器驱动装置上的气缸动作，气缸活塞杆带动导向杆连接板、导向杆、V形 块连接板、V形块、滚动轴承、以及相位角检测器向下移动，当V形块中的滚动轴承接触到油 井钻杆时，气缸活塞杆还在继续向下移动，由于滚动轴承接触到油井钻杆后不能向下移动， 在反作用力的作用下，检测架被抬起，直至气缸中的活塞到达气缸的最下端，此时，检测架 与油井钻杆管体的上母线保持平行状态。
第三步、旋转轮开始旋转，驱动油井钻杆旋转，由于相位角检测器中的压轮压在油井钻 杆上，所以压轮随钻杆旋转而转动，并带动旋转编码器旋转，旋转编码器的输出连接到控制 系统终端，用于检测油井钻杆的相位角；与此同时，传感器中若干组激光位移传感器开始工 作，检测出与油井钻杆相位角相对应的若干组数据，经过计算机分析处理就得到了油井钻杆
左端晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量以及l. 5m弦高。
第四步、气缸向上运动，检测架复位，所有纵向传动转轮同时向上抬起油井钻杆并驱动 油井钻杆继续向左移动，当油井钻杆右端被移动到检测架的右端被右端激光粗精定位传感器
检测到时，停止移动，所有纵向传动转轮向下移动，此时油井钻杆7被搁置在旋转轮上。
重复上述第二步至第四步直至整条油井钻杆的右端晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量以及 1. 5m弦高均测量完毕。
与现有技术相比本发明可以同时自动检测油井钻杆晃头、矫直盲区、1.5m弦高多个参数 ，检测速度快、检测精度高、自动化程度高。
图l为本发明结构示意图。
图2为本发明相位角检测器和检测器驱动装置结构示意图。 图3为传动转轮剖面示意图。
6图4为实施例示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图l、图2和图3所示，本实施例包括检测架l、传感器2、传动转轮3、支撑脚4、相 位角检测器5和两个检测器驱动装置6，其中检测架1通过支撑脚4悬吊设置，传感器2固定 设置在检测架l的下侧、相位角检测器5和两个检测器驱动装置6分别活动设置于检测架1上， 检测器驱动装置6分别设置于检测架1中心的对称位置，相位角检测器5固定设置于一个检测 器驱动装置6上并与待测油井钻杆7相接触，传动转轮3位于待测油井钻杆7下方，传动转轮3 、传感器2、相位角检测器5和两个检测器驱动装置6分别连接至检测终端。
所述的检测架l为长方形结构。
所述的传感器2包括若干组激光位移传感器8、左端激光粗精定位传感器9和右端激光 粗精定位传感器IO，其中若干组激光位移传感器8固定设置于检测架1的下侧，左端激光粗 精定位传感器9和右端激光粗精定位传感器10分别固定设置于检测架1的左右两端下侧，激光 位移传感器8、左端激光粗精定位传感器9和右端激光粗精定位传感器10分别连接至检测终端
如图3所示，所述的传动转轮3包括分别设置于待测油井钻杆7下面的旋转轮11和纵向 传动转轮12，其中若干组旋转轮11的旋转中心线与待测油井钻杆7的中心线平行，若干组 纵向传动转轮12的轴心与待测油井钻杆7的中心线垂直，旋转轮11和纵向传动转轮12分别连 接至检测终端以驱动待测油井钻杆7圆周旋转转动或轴向移动。
所述的支撑脚4包括螺杆13、套筒14和支撑板15，其中套筒14与支撑板15固定连接 ，支撑板15固定设置于检测架1外，螺杆13的一端与检测架1固定连接，螺杆13的另一端与套 筒14活动连接。
如图1和图2所示，所述的相位角检测器5包括旋转编码器16、压轮17、滑块18和弹簧 19，其中滑块18与检测器驱动装置6活动连接，旋转编码器16固定设置于滑块18中，压轮 17与旋转编码器16的旋转轴固定连接并与待测油井钻杆7相接触，旋转编码器16的输出端与 检测终端相连接，弹簧19的一端与滑块18固定连接，弹簧19的另一端与检测器驱动装置6相 接触，弹簧19向滑块18施加向下的推力。
如图1和图2所示，所述的检测器驱动装置6包括滚动轴承20、 V形块21、 V形块连接板22、导向套23、导向杆24、导向杆连接板25、气缸活塞杆26、气缸27和气缸座28，其中滚 动轴承20转动设置于V形块21的下端并与待测油井钻杆7相接触，导向套23固定设置于检测架 l上，导向杆24活动设置于导向套23内，V形块21与导向套23中的导向杆24的下端通过V形块 连接板22连接，导向杆24的上端与导向杆连接板25连接，导向杆连接板25与气缸活塞杆26连 接，气缸27通过气缸座28固定设置于检测架1上。 如图4所示，本实施例具体检测步骤包括
首先检测钻杆左端的晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量、1.5m弦高，其检测步骤如下
第一步、所有纵向传动转轮12同时向上抬起油井钻杆7并驱动油井钻杆7向左移动，当油 井钻杆7移动到检测架1的左端被左端激光粗精定位传感器9检测到后停止移动，所有纵向传 动转轮12向下移动，此时油井钻杆7被搁置在旋转轮11上；
第二步、检测器驱动装置6上的气缸27动作，气缸活塞杆26带动导向杆连接板25、导向 杆24、 V形块连接板22、 V形块21、滚动轴承20、以及相位角检测器5向下移动，当V形块21中 的滚动轴承20接触到油井钻杆7时，气缸活塞杆26还在继续向下移动，由于滚动轴承20接触 到油井钻杆7后不能向下移动，在反作用力的作用下，检测架l被抬起，直至气缸27中的活塞 到达气缸27的最下端，此时，检测架1与油井钻杆7管体的上母线保持平行状态。
第三步、旋转轮ll开始旋转，驱动油井钻杆7旋转，由于相位角检测器5中的压轮17压在 油井钻杆7上，所以压轮随钻杆旋转而转动，并带动旋转编码器16旋转，旋转编码器16的输 出连接到控制系统终端，用于检测油井钻杆7的相位角；与此同时，传感器2中若干组激光位 移传感器8开始工作，检测出与油井钻杆7相位角相对应的若干组数据，经过计算机分析处理 就得到了油井钻杆7左端晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量以及l. 5m弦高。
第四步、气缸27向上运动，检测架1复位，所有纵向传动转轮12同时向上抬起油井钻杆7 并驱动油井钻杆7继续向左移动，当油井钻杆7右端被移动到检测架1的右端被右端激光粗精 定位传感器检测到时，停止移动，所有纵向传动转轮12向下移动，此时油井钻杆7被搁置在 旋转轮11上。
重复第二、第三、第四步，这就完成了油井钻杆7右端晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量 以及l. 5m弦高。从而完成了整根油井钻杆的检测。
本实施例同时自动完成检测，检测速度、精度和自动化程度都比传统技术高。
8
权利要求
1.一种油井钻杆直度检测装置，其特征在于，包括检测架、传感器、传动转轮、支撑脚、相位角检测器和两个检测器驱动装置，其中检测架通过支撑脚悬吊设置，传感器、相位角检测器和两个检测器驱动装置分别活动设置于检测架上，检测器驱动装置分别设置于检测架中心的对称位置，相位角检测器固定设置于一个检测器驱动装置上并与待测油井钻杆相接触，传动转轮位于待测油井钻杆下方，传动转轮、传感器、相位角检测器和两个检测器驱动装置分别连接至检测终端。
2 根据权利要求l所述的油井钻杆直度检测装置，其特征是，所述的 传动转轮包括分别设置于待测油井钻杆下面的旋转轮和纵向传动转轮，其中若干组旋转 轮的旋转中心线与待测油井钻杆的中心线平行，若干组纵向传动转轮的轴心与待测油井钻杆 的中心线垂直，旋转轮和纵向传动转轮分别连接至检测终端以驱动待测油井钻杆圆周旋转转 动或轴向移动。
3 根据权利要求l所述的油井钻杆直度检测装置，其特征是，所述的 支撑脚包括螺杆、套筒和支撑板，其中套筒与支撑板固定连接，支撑板固定设置于检测 架外，螺杆的一端与检测架固定连接，螺杆的另一端与套筒活动连接。
4 根据权利要求l所述的油井钻杆直度检测装置，其特征是，所述的 传感器包括若干组激光位移传感器、左端激光粗精定位传感器和右端激光粗精定位传感器 ，其中若干组激光位移传感器固定设置于检测架的下侧，左端激光粗精定位传感器和右端 激光粗精定位传感器分别固定设置于检测架的左右两端下侧，激光位移传感器、左端激光粗 精定位传感器和右端激光粗精定位传感器分别连接至检测终端。
5 根据权利要求l所述的油井钻杆直度检测装置，其特征是，所述的 检测器驱动装置包括滚动轴承、V形块、V形块连接板、导向套、导向杆、导向杆连接板、 气缸活塞杆、气缸和气缸座，其中滚动轴承转动设置于V形块的下端并与待测油井钻杆相 接触，导向套固定设置于检测架上，导向杆活动设置于导向套内，V形块与导向套中的导向 杆的下端通过V形块连接板连接，导向杆的上端与导向杆连接板连接，导向杆连接板与气缸活塞杆连接，气缸通过气缸座固定设置于检测架上。
6.根据权利要求l所述的油井钻杆直度检测装置，其特征是，所述的 相位角检测器包括旋转编码器、压轮、滑块和弹簧，其中滑块与检测器驱动装置活动连 接，旋转编码器固定设置于滑块中，压轮与旋转编码器的旋转轴固定连接并与待测油井钻杆 相接触，旋转编码器的输出端与检测终端相连接，弹簧的一端与滑块固定连接，弹簧的另一 端与检测器驱动装置相接触，弹簧向滑块施加向下的推力。
7.一种根据权利要求l所述的油井钻杆直度检测装置的检测方法，其 特征在于，包括以下步骤第一步、所有纵向传动转轮同时向上抬起油井钻杆并驱动油井钻杆向左移动，当油井 钻杆移动到检测架的左端被左端激光粗精定位传感器检测到后停止移动，所有纵向传动转轮 向下移动，此时油井钻杆被搁置在旋转轮上；第二步、检测器驱动装置上的气缸动作，气缸活塞杆带动导向杆连接板、导向杆、V形 块连接板、V形块、滚动轴承、以及相位角检测器向下移动，当V形块中的滚动轴承接触到油 井钻杆时，气缸活塞杆还在继续向下移动，由于滚动轴承接触到油井钻杆后不能向下移动， 在反作用力的作用下，检测架被抬起，直至气缸中的活塞到达气缸的最下端，此时，检测架 与油井钻杆管体的上母线保持平行状态；第三步、旋转轮开始旋转，驱动油井钻杆旋转，由于相位角检测器中的压轮压在油井 钻杆上，所以压轮随钻杆旋转而转动，并带动旋转编码器旋转，旋转编码器的输出连接到控 制系统终端，用于检测油井钻杆的相位角；与此同时，传感器中若干组激光位移传感器开始 工作，检测出与油井钻杆相位角相对应的若干组数据，经过计算机分析处理就得到了油井钻 杆左端晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量以及l. 5m弦高；第四步、气缸向上运动，检测架复位，所有纵向传动转轮同时向上抬起油井钻杆并驱 动油井钻杆继续向左移动，当油井钻杆右端被移动到检测架的右端被右端激光粗精定位传感 器检测到时，停止移动，所有纵向传动转轮向下移动，此时油井钻杆被搁置在旋转轮上；重复上述第二步至第四步直至整条油井钻杆的右端晃头跳动量、矫直盲区的弯曲量以 及l. 5m弦高均测量完毕。
全文摘要
一种油井钻杆制造技术领域的油井钻杆直度检测装置及其检测方法，包括检测架、传感器、传动转轮、支撑脚、相位角检测器和两个检测器驱动装置，其中检测架通过支撑脚悬吊设置，传感器、相位角检测器和两个检测器驱动装置分别活动设置于检测架上，检测器驱动装置分别对称设置于检测架的两侧，相位角检测器固定设置于一个检测器驱动装置上并与待测油井钻杆相接触，传动转轮位于待测油井钻杆下方，传动转轮、传感器、相位角检测器和两个检测器驱动装置分别连接至检测终端。与现有技术相比本发明可以同时自动检测油井钻杆晃头、矫直盲区、1.5m弦高多个参数，检测速度快、检测精度高、自动化程度高。
文档编号G01B11/26GK101634549SQ20091030592
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者刘茂生, 轮 时, 朱世忠, 王海丽, 胡德金, 裴景玉, 许黎明 申请人:上海交通大学
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