三维扫描成像曲面计算系统的研究探索

2018-05-23王建辉李吉

中国设备工程 2018年9期

王建辉，李吉

(青海油田公司井下作业公司，青海海西 816499)

目前，国内各大油气田对地面管线、罐体的防腐研究关注度较高，对井内的油套管腐蚀防护研究关注较少。我单位主要负责油管杆的清洗、检测、修复工作，年清洗油管近400万米左右，但是从实际管理中来看，年报废油管近80万米，占年均回收油管的24%，按现市场钢材价格测算，年损失3000万元以上，经济损失严重。目前国内市场现有的油管检测工艺和手段存在漏检和检测盲区，现有的油管修复技术只是简单的进行接箍更换、螺纹修复，无法满足质量要求。

1 目前市场最常见的油管探伤工艺

1.1 漏磁探伤

漏磁检测是指铁磁材料被磁化后，因试件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁场，检测管体的横向和纵向缺陷，进而发现缺陷。

1.2 超声探伤

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。

1.3 涡流探伤

其原理是用激磁线圈使导电构件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。

1.4 磁粉探伤

磁粉探伤利用工件缺陷处的漏磁场与磁粉的相互作用，它利用了钢铁制品表面和近表面缺陷（如裂纹，夹渣、发纹等）磁导率和钢铁磁导率的差异，显现出缺陷位置和形状，进而对这些磁粉的堆积加以观察和解释。目前我单位油田使用的油管探伤技术就属于漏磁无损探伤，采用8通道横向和纵向漏磁探伤，2组固定探头。从实际使用中来看，存在以下问题。

一是单独一种探伤技术无法满足油管检测技术需求。如漏磁探伤不能对油管接箍做到全面检测，对偏磨、腐蚀的油管接箍需要人为目视检测。（图1、图 2）。

图1

图2

二是再先进的探伤技术均存在检测盲区，从实际使用中来看，本单位使用的漏磁探伤盲区0～400mm，其它探伤技术最小盲区也在0～200mm，恰恰是这短短的盲区造成质量缺陷产品外流，因为对于外加厚油管而言，镦粗区恰恰是偏磨腐蚀最严重区域。（图3、图4）。

图3

图4

三是不论何种探伤技术，对于流水线生产环境来说，油管移动速率是关键，同一根油管通过2次探伤机，检测结果均不相同，对操作人员的技术素质要求很高。

四是油管在使用过程中，缺陷种类较多，壁厚必须达到使用分级标准，缺陷长度必须满足一定要求，而注水管在使用过程中造成油管表面的坑蚀、点蚀情况较多，现有的探伤技术检测出的机率较小。（图5、图6）。

图5

图6

五是即使是上述几种探伤技术联合使用，也不能保证产品探伤效果，各有优缺点，对使用造成影响。

六是若在实际生产中降低管材通过探伤机的速率来提高探伤质量，必然影响生产，进而影响企业效益；若提高探伤速率，必然造成一定的漏检率，增加质量事故概率，损失企业信誉，丢失市场，是个矛盾体。

七是以油田现使用的漏磁探伤技术为例，通过前期的试验和计算发现以下问题。

（1）为了满足年油管清洗400万米的需求，油管探伤必须在一定的速率范围内才能与清洗生产工艺速率相匹配，通过对现有的工艺进行实地试验，发现油管在旋转过程中探伤速度为 322．5mm/s，3．225 圈 /s，旋转一圈前进距离为100mm（图7），而现用的设备只有两组探头，探头相距1000mm，旋转一圈前进的距离恰是两组探头间距的整数倍，即第一组探头未被检测到的缺陷第二组探头检测不到的机率增加。

（2）由上所述，小于100mm的缺陷漏检机率增加，特别是腐蚀坑常常需要人工进行目视观察，施工现场中因腐蚀坑而导致油管无法憋压的情况很常见。

（3）由于探头与被检测管体表面接触的距离在5mm左右，管材在检测过程中通过传输轮旋转前进，尾部接箍台肩的影响会发生跳跃，只有检测到油管前端经过第二组探头时，第一组探头落下，为了避开接箍台肩对探头的损坏，在油管尾端接箍接触第一组探头之前，两组探头必须同时抬起，因此造成漏检区域大于1000mm。施工现场外加厚油管管端600～800mm位置因偏磨而造成油管试压过程中被打爆的情况时有发生。

图7

2 三维扫描成像曲面计算系统的提出

2.1 设想

三维扫描成像曲面计算系统即油管在传输过程中，通过三维扫描设备对油管的内外壁进行全长径扫描，在系统软件中实时生成三维图像，软件后台实时进行有限元分析，在生成的三维图像中，对油管的缺陷进行标识，标识的内容有：壁厚厚度、缺陷位置及长度、螺纹损伤、接箍损伤等。对达到一定壁厚和缺陷的油管进行实时分级，对满足报废标准的油管进行报废标记。

2.2 可实现的功能

（1）实时计算功能。一根油管（9．6m）在传输过程中进行实时扫描、实时计算，扫描、计算、分级、3D打印修复传输过程＜60s。（2）对缺陷实现精确定位功能。对缺陷位置、长度实现精确定位，实现后续3D打印修复生产线实现精确位置修复。（3）实现油管传输运动过程中三维扫描。油管经过清洗工艺后通过传输轮旋转前进，所以必须实现运动中对油管外壁和内壁进行全程三维扫描。（4）全程实现自动化生产，无需人为干预，所有过程全部由计算机命令判断实施。

2.3 技术难点

（1）如何实现油管运动中进行内外壁的全长三维扫描。（2）扫描、计算、缺陷定位必须在限定的时间内完成，满足生产需求，与前端油管清洗生产线速率匹配。（3）对不满足一级管的油管全部进入3D修复线，修复后的油管做降级处理，按二级管使用。（4）对缺陷位置实现精确定位，油管传输至3D修复线能实现精确位置修复。（5）全程实现智能化、无人值守。

3 3D打印修复技术的提出

3.1 设想

油管3D打印修复技术是指将三维扫描成像曲面计算不满足一级管的油管全部传输至3D打印修复线，利用特殊材料对缺陷位置进行精确修复，修复后的油管各项指标满足一级管要求，但使用必须做降级处理，达到重复利用的目的。

3.2 可实现的功能

（1）对壁厚进行修复。实现对不满足一级油管壁厚要求的位置进行修复，达到一级油管壁厚要求。（2）对缺陷进行修复。缺陷包括偏磨、腐蚀及坑蚀的内外壁修复。（3）对螺纹进行修复。对偏磨、造扣的螺纹进行修复。（4）全程实现自动化生产，无需人为干预，所有过程全部由计算机命令判断实施。（5）对现有的修复生产线设备锯床、车床进行改造，实现信息分析自动螺纹修复。