АО «НИИизмерения»
средства контроля размеров и формы

Автоматизированный контроль параметров резьбы

(Остапчук В.Г., Куликов  В. А., Семенов  С. Л.)

Статья посвящена описанию нового класса промышленных автоматизированных устройств контроля геометрических параметров изделий на примере устройств контроля резьбы насосно-кеомпрессорных труб и муфт, разработанных фирмой «ТЕЛЕКОН» совместно с «НИИ измерения» для предприятий нефтегазового комплекса.

Введение

В себестоимости нефти, добываемой российскими нефтяными компаниями до 35-40% составляют затраты на поддержание парка насосно-компрессорных труб и муфт для них. Известно, что более 50% аварий трубных подвесок происходит по вине резьбовых соединений.

Принципиально новая технология ремонта и контроля, бывших в эксплуатации, а также новых НКТ и муфт для них, направлена на общее повышение ресурса и перевод ремонта из затратной в доходную составляющую нефтяной компании. Такая технология имеет одну из основных особенностей — автоматизированный контроль геометрических параметров резьбы на 75-80% ее поверхности. Контроль осуществляется специальными устройствами, входящими в состав либо автоматизированного цеха, либо участка и реализующими функции малолюдной технологии.

При этом применение автоматизированных устройств контроля гарантирует:

  • высокую надежность, как самого процесса контроля, так и характеристик, оцениваемых на базе объективных критериев отбраковки;
  • высокую производительность всего комплекса подготовки муфт и труб, обеспечиваемую автоматизацией всех операций по технологической схеме;
  • повышение герметичности резьбовых соединений, что обеспечивает снижение уровня потерь по текущей добычи нефти;
  • возможность автоматизированного документооборота по всем операциям и прогнозирование сроков проведения профилактических и ремонтных работ на скважинах, оборудованных подвесками из муфт и труб, прошедших цикл контрольных операций;
  • ежегодное сокращение объемов закупок муфт и труб на 30-40% по сравнению с традиционной технологией.

Необходимость автоматизированного контроля резьбовых параметров НКТ и муфт по сравнению с технологией ручного контроля связана со следующим:

  • возможностью контроля большого числа геометрических параметров резьбы (6-12) различных типоразмеров изделий на одной измерительной позиции без изменения условий базирования;
  • возможностью использования единственной измерительной головки вместо 6-12 специализированных ручных измерительных приборов;
  • высокой достоверностью и повторяемостью результатов по сравнению с ручными методами;
  • высокой производительностью контроля (не более 1,5 мин. на 1 изделие);
  • возможностью документирования и архивирования полученных данных с выдачей паспорта на резьбу;
  • высокой окупаемостью устройства за счет непрерывной работы в 1,5-2 смены (окупаемость составляет 2-3 года);
  • гибкостью встраивания в технологический процесс за счет использования как ручной, так и автоматизированной загрузки изделий на измерительную позицию;
  • возможностью асинхронного (компьютерного) анализа результатов контроля параметров резьбы с целью разбраковки по группам и подбора оптимальных пар муфта — труба.

1. Принципы построения устройств контроля

При автоматизированном контроле параметров особое значение имеет объективность и повторяемость результатов контроля. Очевидно, что «человеческий фактор» существенно снижает достоверность результатов, поэтому при различной степени автоматизации процесса измерения, сбор и переработка информации должны оставаться за машиной. Кроме того, важно оставить возможность встраивания устройства контроля в автоматизированное производство за счет обеспечения подачи изделия на позицию контроля цеховым автоматизированным транспортом.

Принципиально важно с точки зрения возможного применения устройств контроля геометрических параметров резьбы муфт и труб на одном производстве (единые эксплуатационные характеристики, подбор пар труба-муфта, единство критериев отбраковки) чтобы они строились на одной кинематической схеме, позволяющей применить общие методы сбора, переработки и анализа информации о параметрах резьбы.

При конструировании устройств контроля резьбы можно выделить следующие моменты, влияющие на качество информации и достоверность результата:

  • величина контролируемой зоны (поверхности) резьбы;
  • технология сбора и обработки информации;
  • точности базирования измерительных головок по отношению к поверхности резьбы в процессе автоматизированной подачи и фиксации объекта на измерительной позиции;
  • объем получаемой информации, позволяющий сформулировать адекватные критерии отбраковки.

В разработанных в «ТЕЛЕКОН» устройствах УКРТ1 и УКРМ1 для контроля резьбы НКТ и муфт соответственно применяется метод визуального бесконтактного контроля параметров с помощью промышленных видеокамер, работающих на просвет — для НКТ и на отражение — для муфт.

Для повышения производительности контроля используются две видеокамеры, расположенные в диаметральной плоскости объекта, обеспечивающие одновременный осмотр двух зон резьбы, разнесенных на 180º. Контроль максимальной величины поверхности резьбы обеспечивается двумя механизмами сканирования: поворотом измерительных видеокамер вокруг оси детали с шагом в 22,5º (с учетом 2-х видеокамер таких зон контроля — 16) и перемещением измерительных видеокамер вдоль оси детали на всю длину резьбы. В результате контроль осуществляется на ~ 75% поверхности резьбы трубы или муфты, что обеспечивает достаточную информацию для принятия решения об их годности.

Большое значение для минимизации систематических погрешностей измерения на автоматизированных устройствах контроля играет точность и повторяемость взаимного положения измерительных видеокамер и объекта. Это особенно актуально в случае автоматизированной подачи деталей на измерительную позицию цеховым транспортом. Если устройство предназначено для измерения нескольких типоразмеров деталей, то целесообразно минимизировать процесс переналадки, чтобы не потерять баз отсчета и пространственного положения осей. Это можно сделать либо за счет увеличения поля зрения (при сохранении разрешающей способности), либо за счет использования сменных измерительных головок, предварительно отъюстированных на заводе-изготовителе.

Суммарная погрешность положения детали складывается из погрешности формы детали, несоосности детали и измерительных головок, а также непараллельности оси перемещения головок и опорной плиты. Очевидно, что для реализации требований ГОСТ 633-80, суммарная погрешность не должна превышать 5-10 мкм. При этом юстировка устройства (в том числе при переналадке на другой типоразмер) должна обеспечивать собственную погрешность не выше 2-5 мкм. Все это повышает требования, как к кинематической структуре устройства, так и к точности изготовления и сборки применяемых узлов: направляющих, опор, базовых плит и т.д.

2. Особенности получения, анализа и обработки информации

Процесс нарезания резьбы в трубах и муфтах выполняется за один или несколько проходов и без смены инструмента, поэтому брак по геометрическим параметрам будет иметь постоянный характер и проявляться не в одном, а сразу во всех контролируемых сечениях. Существует вероятность получения бракованной резьбы в одном (нескольких) сечениях, но она будет связана не с правильностью выставки инструмента, а особенностью заготовки (заниженный размер, большая овальность), а также с неверной установкой (биением) заготовки. Но в любом случае контроль параметров свеженарезанной резьбы достаточно вести в нескольких сечениях.

Принципиальное отличие труб, бывших в эксплуатации, состоит в том, что их резьба кроме брака, носящего постоянный характер, может иметь локальные дефекты. Такие дефекты связаны с:

  • механическими забоинами;
  • эффектами коррозии;
  • сдвигом (деформацией) зубьев, возникших при навинчивании-свинчивании муфт;
  • деформацией (растяжением) резьбы, возникшей под весом плети;
  • остатками следов смолопарафинов и грязи;
  • несоответствием параметров торца чертежу.

Таким образом, для труб, бывших в эксплуатации, контроль необходимо вести во многих сечениях, причем из-за неоднородности измеренных величин параметров, необходима сортировка и оценка, как отдельных параметров, так и всей резьбы в целом. Такую задачу должны выполнять специально разработанные критерии отбраковки труб.

Как уже отмечалось, получение информации о параметрах в УКРТ и УКРМ осуществляется промышленными видеокамерами с разрешением не ниже 600 телевизионных линий и работающих в режиме чересстрочной развертки. Рассмотрим упрощенную кинематическую схему УКРМ по рис.1.

Рис.1 Упрощенная кинематическая схема УКРМ.

Устройство включает следующие основные узлы:

  • каретку 1, обеспечивающую движение измерительных головок в горизонтальной плоскости;
  • бабку 2, осуществляющую вращение измерительных головок в плоскости, перпендикулярной оси трубы;
  • оптотико-электронный лазерный блок 3, осуществляющий сканирование поверхности резьбы муфты;
  • измерительные головки 4 из двух видеокамер с объективами и элементами юстировки;
  • прижимной механизм 5, осуществляющий фиксацию муфты 6 на измерительной позиции 7;
  • сварное основание 8, обеспечивающее привязку устройства к технологическому оборудованию.

Необходимо отметить, что кинематическая схема УКРТ подобна рассмотренной схеме УКРМ. Отличие заключается в том, что измерительные головки с механизмами перемещения и вращения устанавливаются на подвижном основании, обеспечивающем адаптацию к осевому положению ниппельной части трубы.

Алгоритм работы устройств УКРТ и УКРМ заключается в следующем. После получения команды от цехового контроллера о перемещении трубы на измерительную позицию цикл работы УКРТ начинается с адаптивного поиска торца и оси трубы. Для УКРМ команду на начало работы дает оператор и поиска оси муфты не требуется.

Для контроля параметров резьбы в УКРТ используется метод работы видеокамер «на просвет», а в УКРМ — «на отражение». При этом в поле зрения видеокамер в каждом кадре находятся 2-3 нитки резьбы. Видеокамеры находятся в диаметральной плоскости изделий, что позволяет контролировать одновременно два участка резьбы, разнесенных на 180º и определять текущий диаметр. Принцип измерения заключается в перемещении видеокамер (для трубы) и оптико-электронной головки (для муфты) вдоль контролируемого объекта в одном сечении. Далее осуществляется поворот измерительных головок на угол 22,5º и в обратном проходе контролируются параметры резьбы в новом сечении. Таких контролируемых парных сечений — 8. Поступающая информация анализируется в ПК и, в соответствии с разработанными критериями отбраковки, изделия признаются либо годными, либо бракованными по комплексу признаков.

В ходе промышленной эксплуатации устройств для контроля резьбы муфт и труб были выявлены следующие особенности:

  • подтвердилась необходимость тщательной очистки резьбы при контроле бывших в эксплуатации труб и муфт;
  • было установлено, что в большом числе случаев трубы, бывшие в эксплуатации имеют значительные искривления оси, превышающие требования ГОСТ, в результате чего не удавалось добиться необходимой степени центрирования измерительной оси устройства с осью резьбы, что приводило к отбраковке труб;
  • так как определение метрологических характеристик устройства измерения проводилось с использованием калибров-пробок, профиль резьбы которых не полностью соответствовал профилю резьбы труб, то возникла необходимость в разработке различных модулей ПрО для труб и калибров;
  • наилучшие результаты при контроле муфт получены при контроле т.н. оцинкованных муфт, что связано с естественной «матовостью» поверхности резьбы, в случае же контроля муфт свежеобработанных, без покрытия, наблюдались случаи засвечивания резьбового сечения из-за переотражения. Как способ избавиться от этого был предложен метод обработки резьбовой поверхности перегретым паром. После такой обработки резьба нормально контролировалась устройством.

В целом устройства УКРТ и УКРМ подтвердили достаточно надежную и устойчивую работу при двухсменном режиме в составе автоматизированного цеха НГДУ «Елховнефть» с 2002 года.

Необходимо отметить, что после небольшой доработки, связанной с увеличением ходов каретки и бабки и корректировки контролируемых параметров резьбы, данные устройства могут применяться также для контроля резьбы обсадных труб по ГОСТ 632-80.

В настоящее время фирма «ТЕЛЕКОН» совместно с ОАО «НИИизмерения» продолжает работы по модернизации указанных устройств с целью повышения эксплуатационных характеристик и упрощения обслуживания со стороны операторов.