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.