Автоматическая система мониторинга как основной элемент СМК при контроле труб нефтяного сортамента



Статья
опубликована в журнале "Методы менеджмента качества" 6, 2006 г. и 1, 2007 г.

Автоматическая система мониторинга как основной элемент СМК при контроле труб нефтяного сортамента
(Опыт внедрения)
Злобин В.П., к.т.н.

Одним из основных процессов системы менеджмента качества (СМК) при производстве и ремонте труб нефтяного сортамента (ТНС) является входной контроль резьбы ТНС, от которого зависит герметичность и прочность резьбового соединения трубамуфта,
а следовательно, и аварийность всей трубной колонны в скважине,
стоимость ремонта которой составляет сотни тысяч долларов1. Поэтому большое внимание при производстве и ремонте ТНС было уделено разработке автоматизированного входного контроля и проведению корректирующих и предупреждающих действий при мониторинге параметров резьбы оптоэлектронным методом на компьютерной системе <ОПТЭЛ> (фото 1), что позволило свести брак по резьбе практически к нулю.

Необходимость внедрения системы мониторинга <ОПТЭЛ> обусловлена тем, что существующий долгие годы субъективный ручной и визуальный контроль геометрии резьбы изделий с помощью гладких, резьбовых калибров, слепков и шаблонов не отвечает современным требованиям. Кроме того, актуален контроль геометрии внутренних обработанных полостей,например, шлицев и др.

С помощью калибров нельзя произвести объективный контроль годности резьбы, так как не анализируются конусность, местный износ и даже шаг резьбы. При определенной комбинации параметров совершенно негодная резьба может быть признана годной и наоборот.
Фактически с помощью калибров контролируется только один виток с наибольшим относительным диаметром резьбы трубы (или с наименьшим относительным диаметром резьбы муфты), что трудно признать достаточным. Такой контроль приводит к перебраковке, увеличивает трудоемкость ремонта,снижает срок службы трубы, и в то же время не исключает пропуск брака. При контроле с помощью калибров определяются не действительные значения проверяемых параметров, а лишь принадлежность измеряемой резьбы к категории годности или дефектности. Кроме этого, результаты контроля резьбы калибрами в значительной степени зависят от субъективных особенностей контролера и условий его работы.

Отметим, что невозможен контроль калибрами таких наиважнейших параметров, как высота резьбы, формы и значений радиусов впадин (вершин), которые собственно и обеспечивают прочность колонн и герметичность соединений. Поэтому для контроля этих параметров выборочно делают слепки с резьбы, которые обмеряют визуальным способом на микроскопе. В целом, на ручной субъеквный контроль с помощью слепков требуется до двух суток. При чем такой контроль имеет значи тельную погрешность вследствие большой усадки слепков.

В настоящее время созданы новые уникальные лазерные компьютерные системы неразрушающих автоматических измерений геометрии наружной и внутренней резьбы, позволяющие корректировать и предотвращать дефекты параметров в реальном масштабе времени, отвечающие современным требова ниям машиностроения, в том числе нефтяного.

Система мониторинга <ОПТЭЛ> обладает уникальной возможностью проводить без воздействия на объект быстрые компьютерные измерения резьбы труб и муфт различных типоразмеров. При контроле резьбы изделий автоматически измеряются параметры резьбы в различных сечениях по выбору пользователя, сохраняются в базе данных и ото
бражаются в виде графических номограмм и текстовых протоколов с возможностью распечатки.

Система может работать как автономно, так и в составе АСУ ТП, с выдачей полученных результатов измерений и служебных сигналов в цифровой форме.

Профилограмма резьбы и результат расчета в графической и цифровой формах наглядно отображаются на экране дисплея.

Результаты мониторинга измерений по компьютерной сети автоматически выдаются на АСУ ТП СМК и могут отображаться в наглядной форме на дисплее и распечатываться в нужном для пользователя виде (протоколы измерений, графики, таблицы, отчетные формы и т. д.). На каждом заданном угле условного сечения осуществляется мониторинг фактической профилограммы сечения резьбы, по которой рассчитываются следующие параметры резьбы:

1. шаг повитковый и средний;
   
2. высота повитковая и средняя;
   
3. диаметры повитковые (по вершине, впадине и средний) и приведенные к торцу;
   
4. радиусы закругления вершин и впадин;
   
5. углы наклона боковых сто
   рон;
   
6. расстояние до основной плоскости и до сбега;
   
7. конусность и угол уклона;
   
8. углы, высота наружной и внутренней фасок резьбы трубы;
   
9. несоосность осей изделия и резьбы;
   
10. натяг по <виртуальным> гладкому и резьбовому калибрам.
    

По этим параметрам задаются и выводятся значения: фактические и отклонения, а также величины номинала, нижняя и верхняя границы допуска.

Данные измерений автоматически сохраняются в памяти компьютера, что позволяет создать базу данных по различным изделиям. Кроме этого, возможно проведение и сопоставление повторных измерений изделий после обработки, механических нагрузок и пробной эксплуатации.

Отличительными особенностями мониторинга с помощью системы <ОПТЭЛ> являются:

• неразрушающие оптоэлектронные бесконтактные измерения;
  
• высокие точность и производительность;
  
• одновременные измерения и регистрация десятков параметров резьбы, включая и те, которые очень сложно получить традиционными методами контроля;
  
• полная автоматизация процесса измерений, простота использования и исключение субъективных факторов при оценке параметров резьбы;
  
• исключение дополнительных механических приспособлений для проведения измерений, что позволяет свести к минимуму эксплуатационные расходы.
  Системы <ОПТЭЛ> состоит из:
  
• оптикомеханического блока, содержащего координатный стол с электроприводом, механизм вращения с электроприводом,обеспечивающим вращение оптоэлектронных головок вокруг продольной оси измеряемого изделия, датчика координат сканирования (ДК) оптоэлектронных головок относительно измеряемого изделия;
  
• сканирующих лазерных оптоэлектронных головок для измерений геометрии резьбы;
  
• электронного блока для первичной обработки информации, управления электроприводом, оптоэлектронными головками и обеспечения связи с компьютером IBM PC;
  
• компьютера IBM PC промышленного исполнения;
  
• экземпляра специализированного нового программного обеспечения, позволяющего проводить автоматические измерения, регистрацию, отображение, документирование и сохранение результатов с передачей их по компьютерной сети в АСУ ТП СМК.
  

Принцип действия системы <ОПТЭЛ> заключается в том, что она обеспечивает бесконтактные измерения геометрии резьбового конца трубы, включая профиль резьбы и внутреннюю поверхность под витками резьбы.

Принцип измерения основан на сканировании профиля резьбы лазерным лучом. Сканирование осуществляется посредством перемещения лазерных головок оптико
механического блока системы относительно измеряемого резьбово
го конца трубы.

В штатном режиме изделие подается по линии транспортирования и фиксируется упоромцентратором. Для осуществления измерений геометрии резьбы предусмотрены соответствующие режимы сканирования и расчеты ее специфических параметров.

В результате сканирования резьбы изделия измеряются профилограммы поперечного сечения, как интегральные, т. е. средние параметры по всем виткам резьбы, так и дифференциальные - параметры каждого витка, что дает полную информацию о фактическом профиле резьбы изделия, включая расчетные параметры, которые охраняются в памяти компьютера, передаются в АСУ ТП и могут выводиться на экран и на печать.

Работа измерительной системы основана на теневом и триангуляционном способах измерений с использованием полупроводниковых лазеров.

Теневой способ (фото 2) используется для измерений профиля наружной резьбы трубы и наружной фаски. Теневая проекция резьбы получается при облучении изделия узким лазерным лучом в виде полосы, который направляется с лазерного излучателя на фотоприемное устройство. Ширина анализируемой полосы составляет 0,01- 0,02 мм. По положению пересечения лазерным лучом кромки объекта формируется видеоимпульс видеосигнала, временное положение которого вводится в компьютер в виде кода. Одновременное фиксирование текущих положения кромки и координаты сканирую
щей головки по положению стола позволяет зарегистрировать профиль резьбы.

Триангуляционный способ используется для измерений профиля внутренней поверхности трубы, включая профиль внутренней фаски на торце, а также для измере
ния толщины стенки трубы с учетом теневой проекции наружной поверхности трубы, в том числе под впадинами резьбы.

Триангуляционный способ реализуется при облучении внутренней поверхности под тремяпятью витками резьбы узким лазерным лучом, который направляется с лазерного излучателя на измеряемую поверхность трубы. С другого углового направления изображение лазерного пятна проецируется на фотоприемное устройство. Положение проекции пятна пропорционально текущему профилю объекта. Формируется видеоимпульс ви
деосигнала, временное положение центра которого в виде кода вводится в компьютер. Одновременное фиксирование текущих положения проекции лазерного пятна и координаты сканирующей головки по положению стола позволяет зарегистрировать профиль измеряемой внутренней поверхности трубы.

Электронный блок системы обеспечивает соответствующую обработку сигналов фотоприемных блоков в требуемом динамическом диапазоне изменений интенсивно
сти для выделения информации об одновременном положении двух кромок и центра узкого лазерного луча и положения координатного стола. Эти коды, соответствующие профилю резьбы и внутренней поверхности трубы, вводятся в компьютер.

Для обеспечения измерений требуемых типоразмеров трубы и соответственно диапазона измерений используются два теневых и один триангуляционный канал измере
ний, всего три канала и еще один канал для съема координат сканирующих лазерных головок по положению стола.

Автоматически перемещающиеся относительно объекта контроля лазерные головки позволяют получить сечение объекта и зафиксировать его в памяти компьютера. Это дает полную информацию для восстановления профиля изделия.

Автоматические измерения геометрии резьбы проводятся с помощью специализированного программного обеспечения системы, которое позволяет проводить расчет параметров резьбы, отображать и регистрировать значения фактического профиля резьбы на каждый типоразмер изделий.

Сканирование сечения резьбы проводится бесконтактно и с достаточно высокой производительностью - одно сечение за 5-6 с.

Результаты измерений отображаются в наглядной форме, регистрируются и сохраняются в памяти компьютера и на машинных носителях информации неограниченное время. Кроме того, они могут выдаваться в виде протоколов на бумаге. На основе данных результатов проводятся корректирующие и предупреждающие действия.

Алгоритм корректирующих и предупреждающих действий представлен на схеме. При проведении мониторинга с помощью системы <ОПТЭЛ> регистрируются параметры резьбы в режиме online. Как только параметры резьбы выходят за поля допуска, регламентирован
ные ГОСТ 633-80, соответствующий сигнал поступает на рабочую станцию АСУ ТП. Он обрабатывается вычислительным комплексом с помощью специального программного обеспечения и далее поступает на пульт станка с числовым программным управлением
(ЧПУ). Управляющая программа вносит соответствующие коррективы в режим работы станка и приводит параметры нарезания резьбы в соответствии с требованиями ГОСТ 633-80. Одновременно компьютер рабочей станции АСУ ТП проводит анализ причин выхода параметров за поле допуска (сбой станка, нарушение работы рольгангов, нестандартная труба, дефекты на поверхности трубы и т. п.) и передает информацию на пульт оператора для проведения предупреждающих действий. В зависимости от вида причин информация поступает на соответствующие участки технологического процесса производства (участок очистки, входной неразрушающий контроль, шаблонирование, меха
нический участок и т. п.), где происходит устранение причин, вызвавших брак по резьбе.

Таким образом, в результате внедрения технологии автоматического мониторинга и последующих корректирующих и предупреждающих действий значительно повысились качественные характеристики ТНС, увеличился срок их эксплуатации, понизилась аварийность трубных колонн, доля брака практически свелась к нулю. Годовой экономический эффект завода за счет внедрения данной технологии составил более 1 млн р.