【文章內(nèi)容簡介】 畢業(yè)設(shè)計正文主體本課題來源于生產(chǎn)實踐； 石油鉆桿在油田鉆井工程中，是地面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)與鉆鋌、鉆頭連接的主要部件，通過它們達到轉(zhuǎn)盤帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，大鉤帶動鉆頭升降，泥漿送到井底形成循環(huán)，從而實現(xiàn)鉆頭破碎巖層并連續(xù)鉆進。正常鉆進時，石油鉆桿在井下要承受拉伸、壓縮、扭曲和泥漿酸化等復雜交變應力，工作條件極為惡劣，隨著工作頻率的增大，使用時間過長，將形成疲勞裂紋，嚴重腐蝕坑等，因此，石油鉆桿能否正常、安全地工作，是油田鉆井工程能否正常進行的關(guān)鍵之一，在鉆井工程生產(chǎn)中具有至關(guān)重要的地位。預防鉆桿失效是提高鉆井速度和保障施工安全的重要措施，歷來受到石油及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液同F(xiàn)場工作人員的重視。一些大型油田傳統(tǒng)的檢測方法在一定程度上影響了油田經(jīng)濟效益的提高。漏磁檢測，可以彌補傳統(tǒng)檢測方法的不足針對石油鉆桿運用漏磁檢測技術(shù)對其進行檢測，對其方法的運用進行探討，為提高石油鉆桿使用效率，掌握其質(zhì)量狀況，減少鉆井事故發(fā)生，從而提高整體經(jīng)濟效益具有十分積極的意義。石油鉆桿漏磁檢測原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率的特性基礎(chǔ)上，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導率變化來檢測在役石油鉆桿的狀況。石油鉆桿（鐵磁性材料）在外加磁場的作用下被磁化，當無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁性材料，此時在材料內(nèi)部磁力線分布均勻；當有缺陷時，由于材料中缺陷的磁導率比鐵磁性材料本身小，致使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄漏出材料表面，通過檢測該泄漏磁場，就能有效地檢測出缺陷的存在，從而檢測分析石油鉆桿的疲勞損壞情況。應解決的主要問題是鉆桿的磁化問題和鉆桿順利現(xiàn)場檢測問題。 鉆桿的磁化問題這里在每個探頭上設(shè)計了兩個永磁體對稱分布在檢測探頭的傳感器的兩邊，相距140mm。保證不管鉆桿向上或是向下都能被有效磁化。 鉆桿的順利檢測問題鑒于鉆桿是兩頭大中間小的結(jié)構(gòu)，對于這種特殊結(jié)構(gòu)，為了使檢測儀器能在鉆桿上順利移動檢測，檢測儀器機械部分需要用浮動結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)。這里用浮動連接探頭來實現(xiàn)。利用彈簧的伸縮性來保證儀器的順利移動，從而保證檢測順利進行。設(shè)計了浮動連接方式來實現(xiàn)探頭的浮動檢測。如圖所示，檢測探頭通過連接鉸鏈與連接桿連接在裝有浮動彈簧的浮動連接裝置上,為防止檢測探頭轉(zhuǎn)動,把導向連桿桿體部分都設(shè)計成方形，以實現(xiàn)探頭的準確定位保證檢測結(jié)果的準確性。此浮動連接方式結(jié)構(gòu)緊湊,防油效果好。 實現(xiàn)鉆桿的有效磁化 鉆桿（鐵磁性材料）在外加磁場的作用下被磁化，當有缺陷時，由于材料中缺陷的磁導率比鐵磁性材料本身小，致使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄漏出材料表面，通過檢測該泄漏磁場，就能有效地檢測出缺陷的存在，從而檢測分析石油鉆桿的疲勞損壞情況。 實現(xiàn)順利檢測能保證檢測探頭在鉆桿加厚過渡區(qū)的自由移動，更重要的是彈簧能及時準確復位，以保證無漏檢情況發(fā)生。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國從90年代初對漏磁檢測技術(shù)進行了研究, 其總體技術(shù)水平落后于歐美等發(fā)達國家。近年來, 在國內(nèi)無損檢測工作者的共同努力下, 目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果,逐步縮小了與國際水平的差距。國內(nèi)研究漏磁檢測技術(shù)的高校主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學等。其中華中科技大學的楊叔子、康宜華、武新軍等, 在儲罐底板漏磁檢測研究[6]和管道漏磁無損檢測傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測等方面進行了大量的實驗研究工作, 利用ANSYS 軟件分析了傳感器勵磁裝置的參數(shù)對鋼板局部磁化的影響, 設(shè)計了相應的漏磁檢測傳感器等。 清華大學的李路明、黃松齡等研究了管道的漏磁探傷, 鐵鑄件的漏磁探傷方法[7], 采用有限元分析法研究永磁體幾何參數(shù)對管道磁化效果的影響[8] , 分析漏磁探傷中各種量之間的數(shù)值關(guān)系, 如表面裂紋寬度對漏磁場Y分量影響的問題。 交直流磁化問題[9] , 針對漏磁檢測交流磁化的磁化電流頻率選擇問題, 分析了磁化頻率的選取原則等等。 國外發(fā)展現(xiàn)狀國外對漏磁檢測技術(shù)的研究很早, Zuschlug[1] 于1933 年首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想, 但直至 1947年 Hastings 設(shè)計了第一套漏磁檢測系統(tǒng), 漏磁檢測才開始受到普遍的承認。1973年, 英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為 600 mm 的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進行了在役檢測, 首次引入了定量分析方法。對于缺陷漏磁場的計算始于1966年, Shcherbin 和 Zatsepin 兩人采用磁偶極子模型計算表面開口的無限長裂紋。蘇、日、美、德、英等國相繼對這一領(lǐng)域開展研究, 形成了兩大學派, 主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學派。1975 年, Hwang 和Lord 采用有限元方法對漏磁場進行分析, 首次把材料內(nèi)部場強和磁導率與漏磁場幅值聯(lián)系起來。Edwards 和 Palaer[4] 推出了有限長開口裂紋的三維表達式, 從中得出當材料的相對磁導率遠大于缺陷深寬比時, 漏磁場強度與缺陷深度呈近似線性關(guān)系的結(jié)論。做好畢業(yè)設(shè)計，前提必須了解研究目的和主攻方向，要進行大量的資料收集以及計算機的輔助設(shè)計，所以需要經(jīng)常去圖書館和機房查閱資料。總體路線如下： 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計題目，結(jié)合老師指導對調(diào)研對象進行初步分析； 參考資料[21] [22] [23] [24] [25] [26]，了解調(diào)研過程，根據(jù)具體要求對研究方案進行構(gòu)思； 設(shè)計并運用AutoCAD畫出設(shè)計的機械部分視圖； 對方案進行進一步針對性修改，以增加其直觀性、可行性和實用性； 方案一：如下圖所示： 浮動漏磁漏磁檢測儀 探頭連接部分采用浮動裝置[27]，其基本工作原理：在鉆桿徑向安裝浮動彈簧，在鉆桿向上或是向下運動過程中，由于鉆桿直徑的變化需要探頭位置也不斷的隨其相應的變化，徑向安放彈簧可以實現(xiàn)此目的。鉆桿檢測前要先進行磁化，每個檢測探頭兩端分別設(shè)計安裝有一個永磁體，利用永磁體對鉆桿進行磁化。探頭兩端均設(shè)計安放永磁體可以保證無論鉆桿是上提還是下降都可以先磁化后檢測，實現(xiàn)漏磁檢測必須先磁化的條件。鉆桿被磁化后通過探頭的對應放傳感器的地方，利用傳感器對鉆桿情況實施有效的現(xiàn)場檢測。 　方案二：如下圖所示： 四連桿漏磁漏磁檢測儀 此檢測儀器探頭的連接部位采用四連桿機構(gòu)實現(xiàn)檢測時探頭與鉆桿平行接觸，彈簧起復位和定位作用。這種結(jié)構(gòu)的工作原理是：檢測探頭的連接部分采用四連桿機構(gòu)，當檢測鉆桿的桿體部分時，四連桿處于矩形狀態(tài)，如下圖上面部分所示，當檢測鉆桿的加厚端時，由于鉆桿直徑加大，需要大的檢測空間，在四連桿連接鉸鏈的作用下四連桿發(fā)生相應的變形，隨即變成如圖下面部分所示的平行四邊形結(jié)構(gòu)，檢測探頭隨之向外移動，檢測探頭距鉆桿中心線的距離由a增大到b，實現(xiàn)了對鉆桿大徑區(qū)的有效檢測。連桿桿體部分所連接的彈簧可以在四連桿機構(gòu)發(fā)生變形時利用彈簧的特性實現(xiàn)對探頭的定位和復位作用。 四連桿機構(gòu) 方案一與方案二最大區(qū)別就是檢測探頭的連接裝置。兩種方案都能實現(xiàn)探頭在鉆桿加厚區(qū)與桿體之間的順利過渡，并實現(xiàn)有效的檢測。但方案二中彈簧布置在軸向，探頭在變徑區(qū)移動時促使四連桿發(fā)生形變，彈簧連接部位雖然會隨連桿轉(zhuǎn)動而改變方向，但由于彈簧軸向與垂直方向會存在一定的夾角，容易造成彈簧的扭彎變形，影響探頭回彈準確性和及時性并且影響彈簧的使用壽命。而方案二中彈簧布置在徑向，既可保證探頭及時準確回彈又不會存在彈簧的扭彎變形情況。綜上所述，方案一是最佳方案。 探頭：結(jié)構(gòu)形式如圖1所示： 檢測探頭檢測探頭分殼體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外殼結(jié)構(gòu)如圖所示，里面留有安裝永磁體和傳感器的腔，并有螺釘孔。下面壓板由螺釘連接，實現(xiàn)探頭結(jié)構(gòu)的完整性和密封性，為防止傳感器與油污或是泥漿接觸發(fā)生短路，傳感器用密封膠封死在殼體內(nèi)。探頭材料為銅合金，以防檢測過程中摩擦產(chǎn)生電火花造成危險事故發(fā)生，另外銅合金比較耐磨，提高了檢測設(shè)備的使用壽命。兩端分別倒角利于檢測探頭在鉆桿上自由順利過渡檢測。 連接部分：結(jié)構(gòu)如圖2所示： 浮動連接裝置此連接裝置工作原理[28]如下：檢測探頭與連桿用鉸鏈連接，實現(xiàn)探頭的自由擺動，便于在鉆桿加厚過渡區(qū)自由方便移動檢測。當檢測探頭過渡到鉆桿加厚區(qū)時，浮動彈簧被壓縮，帶動探頭下移，實現(xiàn)對鉆桿大徑的順利檢測。浮動彈簧采用壓縮彈簧以保證在整個檢測過程中探頭始終與鉆桿有效接觸，利于磁化檢測。調(diào)整彈簧可以輔助保證探頭計量平整檢測，不致偏移太大。 本論文主要是設(shè)計鉆桿現(xiàn)場無損檢測儀器，對于這種儀器，它的主要部分就是檢測探頭和浮動連接裝置，支柱以及它們的連接安裝問題，其中浮動連接裝置中至關(guān)重要的零件就是壓縮彈簧。下面著重就針對這些問題進行論述。檢測探頭直接與鉆桿接觸[29]，在鉆桿高速旋轉(zhuǎn)和軸向運動中要承受摩擦和沖擊力的