陳凱凱，齊明俠，劉飛，楊偉超，黃川

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東)，山東青島 266580;2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450)

校直機(jī)是在汽車、紡織、石油行業(yè)中，對(duì)軸類零件在熱處理或使用過(guò)程中產(chǎn)生的變形而進(jìn)行處理的設(shè)備。石油鉆桿在使用過(guò)程會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，這種變形會(huì)影響鉆桿的使用效果，并降低鉆桿的使用壽命。為保證鉆桿的正常使用，鉆桿在使用一段時(shí)間后，必須對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，其中鉆桿校直為修復(fù)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，降低了鉆井成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)，軸類零件的校直理論發(fā)展已比較成熟，自動(dòng)校直設(shè)備也發(fā)展迅速［1］。對(duì)于軸類零件，通常采用三點(diǎn)反彎校直方法?；趶椝苄粤W(xué)理論，軸類零件的下壓量已有足夠的理論分析［2－5］。自動(dòng)校直設(shè)備，如合肥工業(yè)大學(xué)與合肥鍛壓機(jī)床股份有限公司合作研制的YH40-25全自動(dòng)精密液壓校直機(jī)［6－7］、長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ASC-Ⅱ系列自動(dòng)校直機(jī)［8］，都具有較高的水平。

上述校直機(jī)主要適用于軸徑較小以及長(zhǎng)度有限的軸類零件。不同于其他軸類零件，石油鉆桿是管狀的，體積和質(zhì)量都比較大 (以5寸鉆桿為例，外徑127 mm，長(zhǎng)度約為9.5 m)，且石油鉆桿兩端段具有公接頭和母接頭，不是等直徑的零件，這些特點(diǎn)使得鉆桿不能在一般軸類零件校直機(jī)上進(jìn)行校直，而且校直方法有限，所以鉆桿校直需要專用的鉆桿校直機(jī)。但目前國(guó)內(nèi)的鉆桿校直機(jī)大部分采用三點(diǎn)反彎校直方法，采用手動(dòng)控制。在鉆桿校直的過(guò)程中，由工人目測(cè)檢驗(yàn)鉆桿的彎曲情況，再手工控制校直，再由檢驗(yàn)人員檢驗(yàn)。這樣的話，工序復(fù)雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、控制精度不高，對(duì)工人的要求比較高，難以保證校直的質(zhì)量。

2011年，中海油田服務(wù)股份有限公司和中國(guó)石油大學(xué) (華東)合作研制了全自動(dòng)石油鉆桿校直機(jī)，此自動(dòng)校直機(jī)能夠完成鉆桿校直的自動(dòng)檢測(cè)和控制，并能夠顯示鉆桿彎曲情況和輸出報(bào)表。此校直機(jī)可以對(duì)從3 1/2英寸到6 5/8英寸的鉆桿進(jìn)行校直，最大校直壓力為1 MN，提高了鉆桿校直過(guò)程的自動(dòng)化程度。

1 校直機(jī)結(jié)構(gòu)

石油鉆桿校直機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)使用的石油鉆桿校直機(jī)如圖2所示。校直機(jī)主要由床身、龍門架、液壓系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)滾輪和V型鐵等部分組成。床身的作用是支撐鉆桿和整個(gè)校直機(jī)，跨度為15 m;龍門架可以沿著床身移動(dòng)，龍門架上裝有液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)齒輪與安裝在校直機(jī)床身上的齒條配合，可以移動(dòng)到需要加壓處，龍門架上裝有液壓缸壓頭，可以對(duì)彎曲的鉆桿施加反彎力，最大壓力為1 MN;液壓系統(tǒng)主要由主油泵和副油泵驅(qū)動(dòng)，主油泵在龍門架的上部，通過(guò)液壓缸給鉆桿施加壓力，并且驅(qū)動(dòng)龍門架上的液壓馬達(dá)，副油缸負(fù)責(zé)給使?jié)L輪升降的液壓缸供油;旋轉(zhuǎn)滾輪可以帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，并且可以升降，當(dāng)檢測(cè)鉆桿撓度時(shí)，滾輪上升，當(dāng)對(duì)鉆桿施加壓力時(shí)，旋轉(zhuǎn)滾輪下降;V型鐵的作用是當(dāng)壓頭下壓時(shí)支撐鉆桿，作為反彎的支點(diǎn)，V型鐵下部和鋼絲繩連接，鋼絲繩由電機(jī)帶動(dòng)，V型鐵可以在校直機(jī)床身上沿著校直機(jī)床身移動(dòng)。

圖1 石油鉆桿校直機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)使用的石油鉆桿校直機(jī)

校直機(jī)的主要參數(shù)為最大校直力，有1 000、1 500 kN等。鉆桿的校直力主要由鉆桿的尺寸和規(guī)格決定，另外，校直力的大小還與兩支點(diǎn)距離有關(guān)，若兩支點(diǎn)距離較大，那么所需校直力就會(huì)變小。合理取鉆桿的支點(diǎn)距離，使得鉆桿的反彎曲線梯度和初始彎曲曲線梯度一致，能夠取得較好的校直效果，現(xiàn)場(chǎng)兩支點(diǎn)間距離通常取1～2 m。

2 自動(dòng)校直機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 激光位移傳感器安裝

為了實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)校直，首先要能夠檢測(cè)鉆桿的彎曲程度，在校直機(jī)中檢測(cè)中，采用激光位移傳感器，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量及在線檢測(cè)功能，能夠直接將檢測(cè)結(jié)果輸入到PLC中。18個(gè)激光位移傳感器安裝在校直機(jī)床身上，每?jī)蓚€(gè)傳感器的距離是0.5 m。為檢測(cè)壓頭壓鉆桿的行程，在校直機(jī)壓頭處安裝兩個(gè)激光位移傳感器。圖3為傳感器安裝位置示意圖。

圖3 激光位移傳感器安裝位置

2.2 鉆桿撓度檢測(cè)原理

滾輪旋轉(zhuǎn)，鉆桿將沿著中心軸線旋轉(zhuǎn)，由于鉆桿存在彎曲，所以傳感器檢測(cè)的距離會(huì)不斷發(fā)生變化。在鉆桿旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，檢測(cè)距離會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，即a1和a2，兩者差值為l1。

此處鉆桿的撓度

當(dāng)距離達(dá)到最小時(shí)的轉(zhuǎn)角可以通過(guò)選擇時(shí)間得到，從而得到鉆桿旋轉(zhuǎn)在沿著傳感器方向和垂直于傳感器檢測(cè)方向的分量分別為:

3 鉆桿校直位置和下壓量的確定

鉆桿校直中，鉆桿的校直位置和下壓量是兩個(gè)主要需要確定的參量。采用反彎校直，就要控制支點(diǎn)和壓頭的位置，以找到合理的組合。理想的情況下，應(yīng)使彎矩變化梯度與零件原始曲率一致，以取得較好的校直效果。測(cè)得各點(diǎn)的撓度和轉(zhuǎn)角后，可以擬合鉆桿彎曲曲線。但在實(shí)際過(guò)程中，由于點(diǎn)數(shù)較多，擬合曲線運(yùn)算量大，且會(huì)存在誤差，實(shí)際采用定點(diǎn)加壓，即加壓位置有18個(gè)。

校直過(guò)程中，可檢測(cè)到鉆桿的原始彎曲撓度δ0，兩端由V型鐵支撐，在中點(diǎn)用壓頭施加壓力F;在壓力作用下，鉆桿發(fā)生彈塑性變形，δw是反彎變形量。當(dāng)壓力卸除后，鉆桿恢復(fù)平直，如圖4所示。文獻(xiàn)［9］通過(guò)彈塑性變形公式，得到了原始曲率k0和反彎曲率kw之間的關(guān)系。

圖4 校直原理圖

(1)當(dāng)α≤ζ≤1時(shí)

(2)當(dāng)0＜ζ≤α?xí)r

已知k0可以求出，可以由公式求出，進(jìn)而求得，則可以計(jì)算出總下壓量δt:

在壓頭處同樣裝有兩個(gè)位移傳感器，可以檢測(cè)鉆桿撓度下壓量，從而控制下壓行程。

4 自動(dòng)校直機(jī)控制系統(tǒng)

4.1 自動(dòng)校直方案

(1)啟動(dòng)校直機(jī)程序，放上鉆桿。

(2)滾輪帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)各點(diǎn)處的彎曲值和轉(zhuǎn)角。

(3)比較各傳感器撓度值，獲取最大撓度及其所在位置。

(4)判斷最大撓度是否在設(shè)定誤差允許范圍內(nèi)。

(5)若最大撓度超出誤差允許范圍，需要對(duì)鉆桿進(jìn)行校直。根據(jù)鉆桿彎曲的彈塑性力學(xué)變形方程，由鉆桿的初始彎曲變形確定下壓量［9］。

(6)下壓一次后，再次檢測(cè)，若還有彎曲值超出允許范圍，則繼續(xù)進(jìn)行校直，直至鉆桿的彎曲值在誤差允許范圍內(nèi)。

4.2 自動(dòng)校直機(jī)系統(tǒng)的硬件使用和軟件編制

圖5為自動(dòng)校直機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，鉆桿校直機(jī)的控制系統(tǒng)硬件由西門子S7-200 PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。西門子S7-200 PLC在控制中借助Step-7軟件比較容易編程，而且工作穩(wěn)定，因此適合作為校直機(jī)的控制器［10］。S7-200 PLC具有模擬量輸入模塊，可以采集激光傳感器傳送的數(shù)據(jù)。但PLC不適合做復(fù)雜運(yùn)算，所以將PLC做下位機(jī)，用于控制校直機(jī)和采集數(shù)據(jù)。對(duì)于采集的數(shù)據(jù)，PLC將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在工控機(jī)上使用WinCC處理得到的數(shù)據(jù)并傳回PLC。并設(shè)計(jì)校直機(jī)操作界面，方便直觀顯示校直機(jī)工作過(guò)程和設(shè)定校直參數(shù)。

圖5 校直機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

如圖6為采用WinCC編制的自動(dòng)校直機(jī)控制程序界面［11］。圖6(a)為參數(shù)輸入界面，在這里可以設(shè)置鉆桿允許最大彎曲撓度以及選擇鉆桿的鋼級(jí)和尺寸。對(duì)于不同鋼級(jí)尺寸的鉆桿，其反彎量是不一樣的，所以要計(jì)算不同鋼級(jí)尺寸鉆桿的反彎量與初始變形撓度的關(guān)系。圖6(b)為校直機(jī)工作界面，可是顯示鉆桿的撓度曲線。每次檢測(cè)完畢，將檢測(cè)數(shù)據(jù)存檔，并在一根鉆桿校直完畢后，將最后檢測(cè)數(shù)據(jù)存檔，將這些數(shù)據(jù)以EXCEL表格形式存入指定目錄下。

圖6 校直機(jī)控制程序界面

在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)不同的鉆桿進(jìn)行校直，設(shè)置不同的參數(shù)。一般情況下最大校直精度可以達(dá)到3 mm/9 500 mm，校直機(jī)在使用過(guò)程中的工作效率明顯提高了。圖7顯示了部分4寸鉆桿在校直過(guò)程前后的撓度曲線圖，可以看出:校直機(jī)具有較好的校直效果，可以將撓度校直到3 mm以內(nèi)。

圖7 部分鉆桿校直數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)論

此套全自動(dòng)石油鉆桿校直機(jī)系統(tǒng)成功地運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，具有很好的實(shí)用性能，并提高了工作效率。

(1)采用PLC和工控機(jī)結(jié)合的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，程序易于調(diào)試，控制精度較高。將手動(dòng)和自動(dòng)程序分開(kāi)，使得校直機(jī)既能在自動(dòng)模式下工作，也可以轉(zhuǎn)換為手動(dòng)模式，由人工操作。

(2)根據(jù)鉆桿的初始撓度求得初始曲率。鉆桿的校直過(guò)程為鉆桿的彈塑性變形過(guò)程，壓頭的下壓量要由鉆桿的原始彎曲量和反彎量確定。由理論計(jì)算公式計(jì)算反彎量，并確定下壓量。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于各種因素影響，理論的鉆桿變形擬合曲線和下壓量計(jì)算值會(huì)和實(shí)際數(shù)據(jù)存在差別。為此，需要建立不同尺寸和鋼級(jí)的鉆桿校直數(shù)據(jù)庫(kù)，完善校直理論模型并且將數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)中。

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