钻杆漏磁检测机械部分设计毕业论文.doc
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1、- I -毕业设计正文主体长江大学工程技术学院毕 业 设 计 题 目 名 称 钻杆漏磁检测机械部分设计 题 目 类 别 毕业论文 学 院(系) 机械系 专 业 班 级 机械0701 开题报告日期 2010年10月30日 一、题目来源及题目类别题目名称: 钻杆漏磁检测机械部分设计题目来源: 生产实际题目类别: 毕业论文二、研究目的和意义石油钻具在钻井作业中,要承受拉、扭、压弯等多种载荷作用,同时受到泥浆的冲刷和腐蚀,服役条件十分苛刻。预防钻杆失效是提高钻井速度和保障施工安全的重要措施,历来受到石油及相关领域专家和现场工作人员的重视。为了提高生产安全效率,对钻具的损伤情况和预期寿命有必要做认真检测
2、。但是,通常所用的无损检测方法,如超声法、涡流法、磁粉法、渗透法、电磁法和射线法只能发现钻具中已有的损伤和缺陷,对已多次下井使用但未产生损伤的钻具无法预测而且工人劳动强度大,检测速度慢,可靠性差,制约了钻井速度,而且一些大型油田钻井工作量大,钻杆使用及检测量大,传统的检测方法在一定程度上影响了油田经济效益的提高。这里介绍一种有效的检测方法漏磁检测。漏磁无损检测技术在钢铁、石油、石化等领域应用较广泛。漏磁检测只限于检测铁磁性材料, 主要是铁磁性材料的表面及近表面的检测。该方法具有探头结构简单、易于实现自动化、无污染、检测灵敏度高、不需要耦合剂、检测时一般不需要对表面进行清洗处理、可以实现缺陷的初
3、步量化等特点。在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步, 而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大。因此, 缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界的重要且紧迫的任务。由于钻杆是两头大中间小的结构,对于这种特殊结构,为了使检测仪器能在钻杆上顺利移动检测,检测仪器机械部分需要用浮动结构来调节。具体用连接滚轮和弹簧,利用它们的伸缩性来保证仪器的顺利移动,从而保证顺利检测。三、阅读的主要参考文献及资料名称 1 C. Edwards and S. B. Palaer The p rod magnetization method of magneti
4、c particle inspect ion 25 p 305 British NDT 19832 D. L. Atherton, Finite element calculations and computer measurements of magnetic flux leakage patterns for pits. 30 (2) p 159 British Journal of NDT 19883 D. L. Atherton, Magnetic inspect ion is key to ensuring safe pipelines, 87 (8) Oil and Gas Jou
5、rnals4 C. Edwards and S. B. Palaer, The p rod magnetization method of magnetic particle inspect ion, 25, p 305 British NDT 19835 沈功田 中国无损检测进展 NDT 无损检测 中国 世界 2005 (2)6 刘志平 康宜华 武新军等 储罐底板漏磁检测传感器设计 无损检测 2004 26 (12) : 6126157 李路明 黄松龄 李振星等 铸铁件的漏磁检测方法 清华大学学报 2002 42 (4) : 4744768 黄松龄 管道磁化的有限元优化设计 清华大学学报 2
6、000 40 (2) : 67699 李路明 黄松龄 施克仁 漏磁检测的交直流磁化问题 清华大学学报 2002 42 (2) :154156四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1国内外发展现状 随着现代科学技术的发展, 尤其是计算机技术的发展, 仪器的体积越来越小、处理速度越来越快、功能越来越强大。漏磁检测理论研究及探伤系统的传感器性能、数据处理等方面也都有很大的进步。国外研究概况国外对漏磁检测技术的研究很早, Zuschlug1 于1933 年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想, 但直至 1947年 Hastings 设计了第一套漏磁检测系统, 漏磁检测才开始受到普遍的承认。19
7、73年, 英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为 600 mm 的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测, 首次引入了定量分析方法。对于缺陷漏磁场的计算始于1966年, Shcherbin 和 Zatsepin 两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹。苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究, 形成了两大学派, 主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。1975 年, Hwang 和Lord 采用有限元方法对漏磁场进行分析, 首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。Edwards 和 Palaer4 推出了有限长开口裂纹的三维表达式, 从中得出当材料的相对磁导率远大
8、于缺陷深宽比时, 漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。国内研究现状我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究, 其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来, 在国内无损检测工作者的共同努力下, 目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等, 在储罐底板漏磁检测研究6和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作, 利用ANSYS 软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响, 设计了相应的
9、漏磁检测传感器等; 清华大学的李路明、黄松龄等研究了管道的漏磁探伤, 铁铸件的漏磁探伤方法7, 采用有限元分析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的影响8 , 分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系, 如表面裂纹宽度对漏磁场Y分量影响的问题; 交直流磁化问题9 , 针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题, 分析了磁化频率的选取原则等等。4.2发展趋势使用网络系统进行监控,智能管道爬行器4.3 主攻方向检测过程非自动化、检测结果很大程度上依赖于人的主观判断,以及检测效率低下这一现状。轴向裂缝检测有一定的困难,而且因漏磁技术是检测管道壁厚的间接检测方法,以检测的数据来实现直观显示管壁的缺陷也比较困难
10、。五、主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路5.1主要研究内容漏磁检测调节部分的设计:针对变径钻杆直径不同的特点,设计了移动检测探头仪,其结构如图3 所示.它由检测探头靴组件和探头仪腔体组成。探头仪腔体由磁化器和驱动装置构成。磁化器将被测钻杆进行局部轴向磁化。检测探头靴组件上安装有多自由度浮动的检测探头芯,具有对钻杆加厚过渡区与杆体交界变径区域检测的适应性,用于拾取钻杆全圆周方位的缺陷漏磁信号。检测探头由驱动装置驱动沿着被测钻杆轴向移动对其进行全面扫查检测,驱动支撑滚轮内置式悬挂安装,这样使得探头仪沿被测钻杆轴向跨度小,从而使得移动检测探头仪能够到达被测钻杆端部极限位,减小了检测盲区。漏磁
11、检测连接部分的设计:成整圆周分布的探头芯由探头芯连接块外加弹簧形成浮动连接,适应变经区域的检测,如图5 所示.5.2关键问题1、设计永磁体18 19 20与传感器的连接;2、设计连接滚轮及弹簧。探头芯最佳检测姿态的实现主要由其径向浮动、轴向和周向转动3个浮动自由度来完成的。设计了关节式浮动连接方式来实现3个自由度浮动。如图4所示,探头芯由2个关节转轴通过连接杆连接在装有浮动弹簧的浮动臂上,可以产生2个转动,一个移动自由度浮动,中间通过另一矫正弹簧来对其姿态进行对中复位,以实现在具有3个自由度的同时还能进行姿态矫正。此浮动连接方式结构紧凑,防尘效果好。5.3解决思路做好毕业设计,前提必须了解研究
12、目的和主攻方向,要进行大量的资料收集以及计算机的辅助设计,所以需要经常去图书馆和机房查阅资料。总体思路如下:1、 根据毕业设计题目,结合老师指导对调研对象进行初步分析;2、 参考资料21 22 23 24 25 26,了解调研过程,根据具体要求对研究方案进行构思;3、 设计并画出设计的机械部分视图;4、 对方案进行进一步针对性修改,以增加其直观性、可行性和实用性;六、完成毕业设计所必须的工作条件 1)图书馆资源、网上资源;2)传感器手册、液压设计手册、机械设计手册3)计算机,50学时。七、工作的主要进度与时间安排(工作量计算8-17周,共10周)NO.主要工作周次安排具体时间备注1选题及准备第
13、 6 周10.8-10.14集中选题2外文翻译第8-9周10.22-11.43开题报告资料检索,调研第10周11.5-11.114毕业设计第11-17周11.12-12.30第13周期中检查5论文审查评阅,答辩下学期2008年6月上、中旬资料装订指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录钻杆漏磁检测机械部分设计摘要学生所在系部:机械系指导老师所在单位:长江大学学生:陈明亮指导老师:杨雄摘 要:常见的井下钻具事故多是由于疏于检测致使有严重缺陷的钻具下井造成的。基于漏磁工作原理的探伤机,可以有效检测出存在缺陷的钻具,以减少事故隐患。钻杆属于薄壁管,在钻井过程中承受轴向力、弯矩、离心力、扭转力以及动载
14、的作用,工况条件极其恶劣。特别是深井、斜井,钻杆中微小的缺陷就可能导致井下钻具事故。随着钻井技术的不断发展,为提高机械钻速,井下动力钻具的使用增多,钻柱转速提高,对钻杆质量的要求也越来越高。漏磁检测技术是近年来新发展起来的无损探伤技术,原理与磁粉探伤相同,不仅能对钻杆管体进行全面检测,而且可以利用电子技术获得直观的量化检测结果。它检测准确、速度快,尤其适合于大批量钻杆的检测工作。关键词:钻杆 漏磁检测 机械设计毕业设计正文主体1.选题背景1.1来源本课题来源于生产实践;1.2研究的目的与意义 石油钻杆在油田钻井工程中,是地面旋转系统、提升系统、循环系统与钻铤、钻头连接的主要部件,通过它们达到转
15、盘带动钻头旋转,大钩带动钻头升降,泥浆送到井底形成循环,从而实现钻头破碎岩层并连续钻进。正常钻进时,石油钻杆在井下要承受拉伸、压缩、扭曲和泥浆酸化等复杂交变应力,工作条件极为恶劣,随着工作频率的增大,使用时间过长,将形成疲劳裂纹,严重腐蚀坑等,因此,石油钻杆能否正常、安全地工作,是油田钻井工程能否正常进行的关键之一,在钻井工程生产中具有至关重要的地位。预防钻杆失效是提高钻井速度和保障施工安全的重要措施,历来受到石油及相关领域专家和现场工作人员的重视。一些大型油田传统的检测方法在一定程度上影响了油田经济效益的提高。漏磁检测,可以弥补传统检测方法的不足针对石油钻杆运用漏磁检测技术对其进行检测,对其
16、方法的运用进行探讨,为提高石油钻杆使用效率,掌握其质量状况,减少钻井事故发生,从而提高整体经济效益具有十分积极的意义。石油钻杆漏磁检测原理是建立在铁磁性材料的高磁导率的特性基础上,通过测量铁磁性材料中由于缺陷所引起的磁导率变化来检测在役石油钻杆的状况。石油钻杆(铁磁性材料)在外加磁场的作用下被磁化,当无缺陷时,磁力线绝大部分通过铁磁性材料,此时在材料内部磁力线分布均匀;当有缺陷时,由于材料中缺陷的磁导率比铁磁性材料本身小,致使磁力线发生弯曲,并具有一部分磁力线泄漏出材料表面,通过检测该泄漏磁场,就能有效地检测出缺陷的存在,从而检测分析石油钻杆的疲劳损坏情况。1.3应解决的主要问题应解决的主要问
17、题是钻杆的磁化问题和钻杆顺利现场检测问题。1.3.1 钻杆的磁化问题这里在每个探头上设计了两个永磁体对称分布在检测探头的传感器的两边,相距140mm。保证不管钻杆向上或是向下都能被有效磁化。1.3.2 钻杆的顺利检测问题鉴于钻杆是两头大中间小的结构,对于这种特殊结构,为了使检测仪器能在钻杆上顺利移动检测,检测仪器机械部分需要用浮动结构来调节。这里用浮动连接探头来实现。利用弹簧的伸缩性来保证仪器的顺利移动,从而保证检测顺利进行。设计了浮动连接方式来实现探头的浮动检测。如图所示,检测探头通过连接铰链与连接杆连接在装有浮动弹簧的浮动连接装置上,为防止检测探头转动,把导向连杆杆体部分都设计成方形,以实
18、现探头的准确定位保证检测结果的准确性。此浮动连接方式结构紧凑,防油效果好。1.4应达到的技术要求1.4.1 实现钻杆的有效磁化 钻杆(铁磁性材料)在外加磁场的作用下被磁化,当有缺陷时,由于材料中缺陷的磁导率比铁磁性材料本身小,致使磁力线发生弯曲,并具有一部分磁力线泄漏出材料表面,通过检测该泄漏磁场,就能有效地检测出缺陷的存在,从而检测分析石油钻杆的疲劳损坏情况。1.4.2 实现顺利检测能保证检测探头在钻杆加厚过渡区的自由移动,更重要的是弹簧能及时准确复位,以保证无漏检情况发生。1.5国内外研究现状1.5.1 国内发展现状我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究, 其总体技术水平落后于欧美等发达
19、国家。近年来, 在国内无损检测工作者的共同努力下, 目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等, 在储罐底板漏磁检测研究6和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作, 利用ANSYS 软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响, 设计了相应的漏磁检测传感器等; 清华大学的李路明、黄松龄等研究了管道的漏磁探伤, 铁铸件的漏磁探伤方法7, 采用有限元分析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的
20、影响8 , 分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系, 如表面裂纹宽度对漏磁场Y分量影响的问题; 交直流磁化问题9 , 针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题, 分析了磁化频率的选取原则等等。1.5.2 国外发展现状国外对漏磁检测技术的研究很早, Zuschlug1 于1933 年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想, 但直至 1947年 Hastings 设计了第一套漏磁检测系统, 漏磁检测才开始受到普遍的承认。1973年, 英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为 600 mm 的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测, 首次引入了定量分析方法。对于缺陷漏磁场的计算始于1966年
21、, Shcherbin 和 Zatsepin 两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹。苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究, 形成了两大学派, 主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。1975 年, Hwang 和Lord 采用有限元方法对漏磁场进行分析, 首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。Edwards 和 Palaer4 推出了有限长开口裂纹的三维表达式, 从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时, 漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。1.6本研究的指导思想与技术路线做好毕业设计,前提必须了解研究目的和主攻方向,要进行大量的资料收集以及计算机的辅助设计
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