一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统，包括钻杆回转动力系统、拉力加载系统、弯曲轨迹控制系统、扭矩加载系统和磁记忆疲劳损伤检测系统，弯曲轨迹控制系统中钻杆轨迹控制装置套于钻杆上，通过调节螺杆的旋进长度可改变钻杆的弯曲程度，各个螺杆旋进长度不同，来控制钻杆的弯曲轨迹，使之更接近钻杆钻进时真实的弯曲轨迹；本发明专利技术提供的水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统针对全尺寸水平定向钻钻杆的疲劳损伤检测，可以实现使用定量控制钻杆的轴向拉力、扭矩和弯曲轨迹，模拟钻杆真实工作环境，采用磁记忆疲劳损伤检测技术，对不同工况下钻杆疲劳损伤进行的整个过程进行监测，充分了解钻杆损伤累积过程。

【技术实现步骤摘要】
一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统
本专利技术涉及一种钻杆疲劳损伤检测系统，属于非开挖工程

技术介绍
水平定向钻进(HorizontalDirectionalDrilling)是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面的较小入射角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小，并铺设管道(线)的一项技术。该技术起源于石油钻井工业，20世纪70年代，结合水井工业和公用设施建设方面的技术，经演变之后目前广泛应用于市政管道、油气管道的建设行业。90年代，我国开始引进水平定向钻技术进行管道施工建设。随着我国经济飞速发展、能源需求不断增加，水平定向钻施工的管道尺寸越来越大，一次性穿越长度也越来越长，水平定向钻钻杆在孔内受力状态复杂，除收到拉力和扭矩的作用外，还会受到因空间形态导致的交变应力影响。复杂的受力状态会导致钻杆失效、钻杆疲劳断裂的事故，严重影响施工周期，增加施工成本，甚至可能会导致工程失败，这也成为制约水平定向钻技术发展的主要因素之一。因此，有必要对特定工况下的水平定向钻钻杆的进行疲劳损伤检测，确定钻杆疲劳损伤失效的临界施工参数，科学的指导大直径水平定向钻施工。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对水平定向钻施工过程中钻杆疲劳损伤的问题，提出一种能够真实模拟钻杆工作环境(拉力、扭矩、弯曲、转速)条件下的钻杆疲劳损伤的检测系统。实现本专利技术目的所采用的技术方案为，一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统，包括钻杆回转动力系统、拉力加载及弯曲轨迹控制系统、扭矩加载系统和磁记忆疲劳损伤检测系统，钻杆回转动力系统位于钻杆的动力端侧，拉力加载及弯曲轨迹控制系统位于钻杆中部位置，扭矩加载系统位于钻杆的两端；所述钻杆回转动力系统包括控制电箱、电动机、减速箱、联轴器和钻杆转接头，控制电箱控制电动机回转速度，电动机输出的转速经减速箱减速后传递至钻杆转接头；所述拉力加载及弯曲轨迹控制系统包括钻杆支撑箱、钻杆承托装置、拉力顶板、楔形垫块、推力轴承、两个以上顶进油缸和沿钻杆轴向间隔分布于钻杆支撑箱上的2个以上钻杆轨迹控制装置，钻杆的主体穿过钻杆支撑箱和各钻杆轨迹控制装置、两端均伸出钻杆支撑箱外，钻杆的动力端通过依次安装于其上的楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置与拉力顶板固连，另一端通过依次安装的楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置限位，各顶进油缸均位于拉力顶板与钻杆支撑箱的动力端之间并且对称分布于钻杆动力端旁侧，顶进油缸作用于拉力顶板，所述钻杆轨迹控制装置由螺杆、分动器、套壳和3个以上导轮构成，螺杆、分动器和套壳从上至下顺序连接，螺杆垂直于钻杆轴向并且与钻杆支撑箱螺纹连接，套壳套于钻杆上，各导轮均匀安装于套壳内部并且与钻杆的圆柱侧面接触；所述扭矩加载系统包括电控液压泵、扭矩加载油缸、扭矩加载装置、齿轮箱、离合器和直线位移机构，电控液压泵、扭矩加载油缸和扭矩加载装置均位于钻杆的动力端，扭矩加载油缸位于扭矩加载装置的下方，其一端与扭矩加载装置一侧的底部固连，扭矩加载装置内部设置相互啮合的齿轮组，电动机输出的转速经减速箱和扭矩加载装置传递至钻杆动力端的钻杆转接头，齿轮箱和离合器均安装于直线位移机构的移动元件上并且位于钻杆的尾端，钻杆尾端的钻杆转接头通过联轴器接入齿轮箱；所述磁记忆疲劳损伤检测系统包括环装探头和磁记忆采集仪，环装探头由固定环和4个以上探头构成，固定环套于钻杆上，各探头间隔且均匀地安装于固定环中并且与钻杆的圆柱侧面接触，探头与磁记忆采集仪电性连接。所述钻杆支撑箱由1个以上箱体通过螺栓顺序连接构成。箱体的顶面、左侧面和右侧面上均可设有可视孔。拉力顶板上对称安装有2对导杆，导杆垂直于拉力顶板并且其活动端伸入靠近动力端的箱体上开设的导孔中。连接扭矩加载装置与钻杆动力端钻杆转接头的传动轴上安装有转速扭矩传感器。所述直线位移机构为导轨丝杠，齿轮箱和离合器均安装于导轨丝杠的移动台上，导轨丝杠中丝杠的动力输入端上设有摇柄。所述钻杆转接头设有四个，用于连接两根钻杆，扭矩加载装置输出的扭矩同时作用于主侧钻杆和随侧钻杆，各钻杆轨迹控制装置间隔分布于主侧钻杆上，拉力加载系统作用于主侧钻杆的动力端。所述随侧传动轴为万向轴。四个钻杆转接头均通过曲齿联轴器与对应的传动轴连接。钻杆回转动力系统和扭矩加载系统均安装于试验台上，拉力加载及弯曲轨迹控制系统通过支撑块支撑，钻杆回转动力系统、扭矩加载系统和拉力加载及弯曲轨迹控制系统位于同一水平高度上。由上述技术方案可知，本专利技术提供的水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统，包括钻杆回转动力系统、拉力加载及弯曲轨迹控制系统、扭矩加载系统和磁记忆疲劳损伤检测系统，钻杆回转动力系统中控制电箱控制电动机回转速度，经减速机减速后，通过中间传动轴将回转速度传递给钻杆转接头，钻杆转接头连接钻杆，从而实现回转速度的控制，模拟钻杆钻进，钻杆转接头通过曲齿联轴器与对应的传动轴连接，曲齿联轴器允许钻杆在轴线上有一定的伸缩量，同时可以实现一定角度的偏转；拉力加载及弯曲轨迹控制系统中，通过楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置将钻杆与拉力顶板和钻杆支撑箱组装起来，钻杆主体穿过拉力顶板和钻杆支撑箱并且通过钻杆承托装置限位，两个顶进油缸位于拉力顶板与弯曲轨迹控制系统之间，顶进油缸的活塞伸出时，通过拉力顶板将拉力传递至钻杆，模拟钻杆的受拉工况，拉力顶板上对称安装导杆，导杆伸入钻杆支撑箱中，起导向作用，保证拉应力的方向为钻杆轴线方向，通过多个沿钻杆轴向间隔分布的钻杆轨迹控制装置控制钻杆的弯曲形变，模拟钻杆弯曲工况，钻杆轨迹控制装置由螺杆、分动器、套壳和4个导轮构成，螺杆垂直于钻杆轴向并且与钻杆支撑箱螺纹连接，分动器确保螺杆转动时套壳不会随之转动，通过调节螺杆的旋进长度可改变钻杆的弯曲程度，各个螺杆旋进长度不同，来控制钻杆的弯曲轨迹，使之更接近钻杆钻进时真实的弯曲轨迹，导轮支撑钻杆，确保钻杆在回转过程中不产生额外的摩擦扭矩；扭矩加载系统中，齿轮箱坐落在直线位移机构的移动元件上，其在钻杆轴线上可以滑动，确保抵消钻杆连接扭紧过程中产生的轴向伸缩量，通过扭矩加载油缸、扭矩加载装置、齿轮箱和离合器的相互配合，将钻杆与钻杆转接头旋紧，使二者稳定连接，旋紧后通过扭矩加载油缸、扭矩加载装置和齿轮箱的相互配合可使得钻杆产生扭矩，模拟钻杆在扭矩作用下的工况；通过上述3个系统可真实模拟钻杆受拉力、扭矩、弯曲和转速条件下的工作环境，并通过安装在钻杆上的磁记忆疲劳损伤检测系统检测测试钻杆的磁信号，通过数据对比分析可充分了解钻杆损伤累积过程。考虑到通常小型水平定向钻钻杆为3m一根，大型水平定向钻钻杆为9m一根，为测试不同类型定向钻钻杆的疲劳损伤，本专利技术的弯曲轨迹控制系统中采用由3个箱体通过螺栓顺序连接构成的钻杆支撑箱，通过调节箱体的数量以适应不同尺寸的钻杆，如果采用小型钻杆，将3根3m长的小型钻杆连在一起成9m为一组，如果采用大型水平定向钻，则可以直接使用一根9m长的钻杆或者更多根连接试验，采用长度足够的钻杆保证实现轨迹调节；本专利技术设置两组钻杆固定装置，试验时安装两根等长的钻杆，设置左右两组钻杆可通过齿轮箱实现两根钻杆扭矩自加载。与现有技术相比，本专利技术提供的水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统具有以下优点：(1)本专利技术所涉及的检测系统是首个针对全尺寸水平定向钻钻杆疲劳损伤的检测系统，可以实现使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统，其特征在于：包括钻杆回转动力系统、拉力加载及弯曲轨迹控制系统、扭矩加载系统和磁记忆疲劳损伤检测系统，钻杆回转动力系统位于钻杆的动力端侧，拉力加载及弯曲轨迹控制系统位于钻杆中部位置，扭矩加载系统位于钻杆的两端；所述钻杆回转动力系统包括控制电箱、电动机、减速箱、联轴器和钻杆转接头，控制电箱控制电动机回转速度，电动机输出的转速经减速箱减速后传递至钻杆转接头；所述拉力加载及弯曲轨迹控制系统包括钻杆支撑箱、钻杆承托装置、拉力顶板、楔形垫块、推力轴承、两个以上顶进油缸和沿钻杆轴向间隔分布于钻杆支撑箱上的2个以上钻杆轨迹控制装置，钻杆的主体穿过钻杆支撑箱和各钻杆轨迹控制装置、两端均伸出钻杆支撑箱外，钻杆的动力端通过依次安装于其上的楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置与拉力顶板固连，另一端通过依次安装的楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置限位，各顶进油缸均位于拉力顶板与钻杆支撑箱的动力端之间并且对称分布于钻杆动力端旁侧，顶进油缸作用于拉力顶板，所述钻杆轨迹控制装置由螺杆、分动器、套壳和3个以上导轮构成，螺杆、分动器和套壳从上至下顺序连接，螺杆垂直于钻杆轴向并且与钻杆支撑箱螺纹连接，套壳套于钻杆上，各导轮均匀安装于套壳内部并且与钻杆的圆柱侧面接触；所述扭矩加载系统包括电控液压泵、扭矩加载油缸、扭矩加载装置、齿轮箱、离合器和直线位移机构，电控液压泵、扭矩加载油缸和扭矩加载装置均位于钻杆的动力端，扭矩加载油缸位于扭矩加载装置的下方，其一端与扭矩加载装置一侧的底部固连，扭矩加载装置内部设置相互啮合的齿轮组，电动机输出的转速经减速箱和扭矩加载装置传递至钻杆动力端的钻杆转接头，齿轮箱和离合器均安装于直线位移机构的移动元件上并且位于钻杆的尾端，钻杆尾端的钻杆转接头通过联轴器接入齿轮箱；所述磁记忆疲劳损伤检测系统包括环装探头和磁记忆采集仪，环装探头由固定环和4个以上探头构成，固定环套于钻杆上，各探头间隔且均匀地安装于固定环中并且与钻杆的圆柱侧面接触，探头与磁记忆采集仪电性连接。...

【技术特征摘要】
1.一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统，其特征在于：包括钻杆回转动力系统、拉力加载及弯曲轨迹控制系统、扭矩加载系统和磁记忆疲劳损伤检测系统，钻杆回转动力系统位于钻杆的动力端侧，拉力加载及弯曲轨迹控制系统位于钻杆中部位置，扭矩加载系统位于钻杆的两端；所述钻杆回转动力系统包括控制电箱、电动机、减速箱、联轴器和钻杆转接头，控制电箱控制电动机回转速度，电动机输出的转速经减速箱减速后传递至钻杆转接头；所述拉力加载及弯曲轨迹控制系统包括钻杆支撑箱、钻杆承托装置、拉力顶板、楔形垫块、推力轴承、两个以上顶进油缸和沿钻杆轴向间隔分布于钻杆支撑箱上的2个以上钻杆轨迹控制装置，钻杆的主体穿过钻杆支撑箱和各钻杆轨迹控制装置、两端均伸出钻杆支撑箱外，钻杆的动力端通过依次安装于其上的楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置与拉力顶板固连，另一端通过依次安装的楔形垫块、推力轴承和钻杆承托装置限位，各顶进油缸均位于拉力顶板与钻杆支撑箱的动力端之间并且对称分布于钻杆动力端旁侧，顶进油缸作用于拉力顶板，所述钻杆轨迹控制装置由螺杆、分动器、套壳和3个以上导轮构成，螺杆、分动器和套壳从上至下顺序连接，螺杆垂直于钻杆轴向并且与钻杆支撑箱螺纹连接，套壳套于钻杆上，各导轮均匀安装于套壳内部并且与钻杆的圆柱侧面接触；所述扭矩加载系统包括电控液压泵、扭矩加载油缸、扭矩加载装置、齿轮箱、离合器和直线位移机构，电控液压泵、扭矩加载油缸和扭矩加载装置均位于钻杆的动力端，扭矩加载油缸位于扭矩加载装置的下方，其一端与扭矩加载装置一侧的底部固连，扭矩加载装置内部设置相互啮合的齿轮组，电动机输出的转速经减速箱和扭矩加载装置传递至钻杆动力端的钻杆转接头，齿轮箱和离合器均安装于直线位移机构的移动元件上并且位于钻杆的尾端，钻杆尾端的钻杆转接头通过联轴器接入齿轮箱；所述磁记忆疲劳损伤检测系统包括环装探头和磁记...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫雪峰，杨善，曾聪，马保松，贾绍宽，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42