专利名称：检查管子的设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种检查管子的设备及方法，尤其涉及(但不限于)检查油气工业用管子的设备及方法。
背景技术：
由可连接管段或管件形成的连续管组、例如生产管组、提升管组、钻井管组和套管管组被用于地下油井和气井的钻井、完工和生产。通常为铸钢件的单独的管件经常具有一些制造缺陷，例如接缝、折叠、杂质和擦伤，如果在安装前不检查，就会造成代价昂贵的故障。此外，管子的野蛮搬运会使管子或其一部分在横截面上变形。因此，管件通常要在生产点进行检查，尽可能在管子运送到井位之前确定严重缺陷的位置并予以修理。
管子在安装到井内之后也易于受到各种机械损伤和化学损伤。最容易受到这种损伤的一个部分是提升管组。钻井管组常常要擦到提升管的内表面，使之磨损。因此，构成管组的单个管件最好进行定期检查。通常，在构成管组的管段从竖井拆除和拆卸之后检查管段。通常是一个管段一个管段地进行缺陷检查。
现有技术提出各种测量管子椭圆度和检测管子材料缺陷的无损探伤设备。超声波和电磁探伤技术和设备能够以每小时40至400个30英尺(9.14米)管节的速度检测材料缺陷。速度较高的探伤设备降低无损探伤的成本，缩短管子运送到检查现场和已检查油田管子运送到井位之间的时间。现有技术的设备一直用于检测油田管子的外径不匀度和椭圆度，但是许多油田管子仍然用外径测径器手动检测。仅对大量油田管子进行随机检测时，手动检测可以令人满意，但是，要对沿管子长度的许多轴向位置检查外径和椭圆度一致性时，这种方法成本太高。在某些情况下，手动检测油田管子的外径和椭圆度不切实际。
US-A-5867275公开了一种具有一对光束的设备，每束光束都横向于被测管子的轴线。一对较宽的光束径向射到管子的相对的侧面上，以致管子材料阻断光线以改变每束光束的宽度。因此，宽度缩小的光束之间的间隔是油田管子直径的测量结果。但是，这种方法只能测量管子的外径。此外，检查现场的管子通常是先进先出，每批管子极少是直径相同的管子，检查设备经常需要重新校准。US-A-5867275公开的设备难以快速重新校准，因此，总的检查进度缓慢。
显然，需要一种管子检查设备及方法，它更精确，工作更有效，可以快速重新校准，可以采用相同的检查原理检测管子的内径和外径。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种检查管子的设备包括电磁辐射发射器和用于检测所述电磁辐射发射器发射的电磁辐射的传感器，设备限定电磁辐射在电磁辐射发射器和传感器之间行进的一个路径，其布置使得在使用中，所述路径的长度随所述管子的椭圆度而变化，所述传感器可以输出一个表示所述路径长度的电子信号。在一个实施例中，所述电磁辐射发射器可以发射由一个激光装置产生的辐射。
所述设备最好包括一个提供一个基本固定的基准架的第一部分，以及一个可以相对于所述第一部分进行移动、与被测管子的一个表面接触的第二部分，其布置使得在使用中，所述第二部分随接触点管子的直径移动，提供所述路径长度的变化。这样，可以进行非常精确的测量，检测很小的椭圆度变化。
有利地是，所述第二部分包括一个用于朝所述传感器反射电磁辐射的电磁辐射反射器。在一个实施例中，电磁辐射发射器和传感器安装在第一部分上，电磁辐射反射器安装在第二部分上。或者，电磁辐射发射器安装在第一部分上，传感器安装在第二部分上，反之亦然。
最好，设备还包括用于推动所述第二部分与所述管子接触的推动装置。这有助于确保精确测量管子的直径(或者获得表示管子直径的测量结果)。
在一个实施例中，所述推动装置包括一个转动地安装在一个臂的一端的配重，臂的另一端与所述第一部分接触，其布置使得在使用中，所述设备的转动引起所述配重朝外移动，通过所述枢轴转换成一种对所述第一部分的向内的推动力。
有利地是，设备还包括计时器，用于对电磁辐射沿所述路径行进的时间进行计时。所述计时器可以输出一个表示所述时间的计时电子信号。
最好，设备还包括转动装置，用于在所述设备和所述管子之间提供转动。在一个实施例中，设备围绕每个管子转动。
有利地是，所述电磁辐射发射器可以发射电磁辐射脉冲。发射辐射脉冲，有助于快速进行测量。或者，使用一个干涉仪进行距离测量。
所述传感器最好可以记录每个脉冲的接收时间。接收时间例如可以是实际日时或者是自脉冲发射起的时间。
有利地是，设备还包括位置测量装置，用于测量所述管子相对于所述设备的位置，使所述输出电子信号与一个输出位置电子信号相结合，产生所述管子在沿其长度的多个点的横截面数据。
在一个实施例中，所述位置测量装置包括线性移动编码器。
设备最好还包括移动装置，用于提供所述管子相对于所述设备的相对轴向移动。在一个实施例中，管子移动通过设备上的一个开口，而设备围绕管子转动，因此，电磁辐射发射器沿管子上的一个螺旋路径行进。
有利地是，设备还包括传输装置，用于将所述输出电子信号传输到远离所述设备的处理器。
在一个实施例中，所述传输装置包括一个无线传输装置。从无线传输装置接收信号的处理器(或者多个处理器)处理信号，实时显示(例如在显示屏和/或记录纸上)数据和/或管子图象(例如示出直径测量结果和/或圆度/椭圆度的横剖视图)，提供管子横截面形状和/或直径测量结果的图解，和/或提供用于记录原始和已处理的数据和结果的设备和方法。在其它实施例中，可以使用一种微波或红外无线传输系统。
设备最好还包括至少两个彼此基本完全相对的电磁辐射发射器和传感器对。这样，可以在这一点对管子的直径进行基本瞬时的测量。由于电磁辐射发射器之间的距离基本是固定的，因此，确定电磁辐射发射器和管子表面之间的距离，即可确定管子的内径或外径。如果设备在管子的外表面上工作，则可以用电子设备通过从电磁辐射发射器之间的距离减去两个距离测量结果，确定直径。如果设备在管子的内表面上工作，则可以用电子设备使两个距离测量结果与两个电磁辐射发射器之间的距离相加，确定直径。此外，管子相对于设备轴线的任何偏离在确定直径时可以不予考虑。这是一个相当大的优越性，因为将管子输送到检查现场的输送装置无需准确同轴进行精确检测。
有利地是，电磁辐射发射器安装在一个提供一个基本固定的基准架的主体上，所述传感器安装在一个探测靴上，所述管子的直径变化使所述探测靴在所述基准架上进行相应的移动。
设备最好适于移动通过所述管子的内部，检测管子的内径变化情况。
有利地是，设备适于围绕所述管子的外部移动，检测管子的外径变化情况。
设备最好还包括电子处理器，用于接收所述输出电子信号，确定所述管子在沿其长度的一个点或多个点的椭圆度，存储表示所述椭圆度的数据。椭圆度可以由管子的直径加以确定。
根据本发明的另一个方面，一种检查管子的方法包括以下步骤(1)在一个电磁辐射发射器和一个传感器之间提供一个电磁辐射路径；(2)使一个管子定位在所述电磁辐射发射器和传感器附近，管子在这一点的椭圆度确定所述路径的长度；(3)沿所述路径发射电磁辐射；(4)产生一个表示所述路径长度的输出电子信号，用于确定管子的直径。
有利地是，所述方法还包括一个步骤，即在彼此基本完全相对的位置基本同时进行步骤(1)至(4)，以输出两个用于确定管子在这一点的直径的电子信号。这样做的一个优越性是，管子无需与检查设备轴向对齐，因为如上所述在确定直径时任何偏离不予考虑。
所述方法最好还包括一个步骤，即采用所述输出电子信号使用一个电子处理器确定一个表示所述电磁辐射发射器和所述管子之间的距离的距离值。
有利地是，所述方法还包括一个步骤，即使用所述电子处理器确定一个表示所述管子在这一点的直径的直径值，将所述直径值存储在存储器中。如上所述，直径可以使用电子处理器加以确定。
所述方法最好还包括一个步骤，即在围绕所述管子周边的多个点产生所述输出信号，以致可以使用电子设备产生和存储表示所述管子的横截面的数据。
有利地是，所述方法还包括一个步骤，即在所述管子和所述电磁辐射发射器和传感器之间提供相对转动，以便在多个点产生所述输出信号。
所述方法最好还包括以下步骤，即在所述管子和所述电磁辐射发射器和传感器之间提供相对轴向移动，使用电子设备产生和存储表示管子在沿管子长度的多个点的横截面的数据。
有利地是，所述方法还包括以下步骤，即使用一个设备的一个第一部分提供一个基本固定的基准架，使用设备的一个可以相对于所述第一部分进行活动的第二部分接触被检查管子的一个表面，其布置使得在使用中，所述第二部分随管子在接触点的直径进行移动，提供所述路径长度的变化。
所述方法最好还包括一个步骤，即推动所述第二部分与所述管子接触。
有利地是，所述方法还包括一个步骤，即采用一个电磁辐射反射器朝所述传感器反射所述电磁辐射。在一个实施例中，电磁辐射反射器安装在一个探测靴上，探测靴的移动使反射器进行相应的移动，给出路径长度的变化。
所述方法最好还包括一个步骤，即发射一个或多个电磁辐射脉冲。
有利地是，所述方法还包括一个步骤，即把所述输出电子信号传输到电子处理器。
所述传输步骤最好由无线传输加以实施。这可以使用一个无线局域网、例如IEEE802.11技术进行实施。
有利地是，所述方法还包括一个步骤，即移动通过管子的内部，在管子内径上实施所述方法。
所述方法最好还包括一个步骤，即围绕管子的外部进行移动，在管子外径上实施所述方法。
根据本发明的另一个方面，一种检查管子的设备包括在所述设备上基本完全相对的间隔一个已知距离的第一和第二测量装置，第一测量装置用于测量管子表面和第一测量装置之间的第一距离，第二测量装置用于测量管子表面和第二测量装置之间的第二距离，其布置使得在使用中，第一测量装置可以输出一个表示所述第一距离的第一电子信号，第二测量装置可以输出一个表示所述第二距离的第二电子信号，第一和第二输出电子信号可以用于使用所述已知距离确定所述管子在两个测量装置之间的直径，其布置使得，即使所述第一和第二距离不同，对于其纵向轴线偏离所述设备的中央轴线的一个管子来说，也可以准确测量直径。直径可以通过所述第一和第二测量结果与所述已知距离进行加减来计算，视设备在管子的外表面上还是在内表面上工作而定。设备可以同其它实施例的上述任何装置相结合。显然，这种设备在同轴输送的管子上同样工作良好。
根据本发明的另一个方面，一种检查管子的方法包括以下步骤(1)提供基本完全相对的间隔一个已知距离的第一和第二测量装置；(2)测量管子的一个表面和第一测量装置之间的第一距离，测量管子的一个表面和第二测量装置之间的第二距离；(3)产生一个表示所述第一距离的第一电子信号以及一个表示所述第二距离的第二电子信号；(4)使用电子处理器采用所述已知距离确定所述管子在两个测量装置之间的直径；
其中，即使所述第一和第二距离不同，对于其纵向轴线偏离所述设备的中央轴线的一个管子来说，也可以准确测量直径。直径可以通过所述第一和第二测量结果与所述已知距离进行加减来计算，视设备在管子的外表面上还是在内表面上工作而定。所述方法可以同其它实施例的上述任何步骤相结合。显然，这种方法在同轴输送的管子上同样工作良好。
本发明的至少一些方面提供了用于测量管子椭圆度的系统和方法。在某些方面中，这种系统和方法包括接触一个管子的一个表面(内表面或外表面)的一个、两个、三个、四个或多个探测靴。这种探测靴可移动地安装或悬置在管子附近，随着管子移动通过一个或多个探测靴，例如随着管子移动通过一个安装有一个或多个探测靴的头部，探测靴与管子的外表面接触、保持接触并浮动或“跨接”在管子的外表面上；或者一个或多个探测靴位于管子内的一个托架或其它支架装置、支承件或器械上，随着托架或支架装置等移动通过管子，探测靴接触管子的内表面，浮动或跨接在管子的内表面上，并与管子的内表面保持接触。
一个传感器定位在一个或多个探测靴附近，与所述探测靴相独立地加以固定。所述探测靴可以随着与管子外表面的接触进行轴向移动，传感器相对于一个架、支承件、壳体或结构件保持固定，管子移动通过所述架、支承件、壳体或结构件，或者所述架、支承件、壳体或结构件移动通过所述管子。这样，管子直径的变化改变所述探测靴和传感器之间的轴向距离。通过测量该轴向距离，确定或示出管子的直径(内径或外径)；通过示出该距离的变化，示出管子椭圆度的变化。在一些实施例中，测得并记录从探测靴上的一个部分或一个部件到传感器的距离。随着管子和探测靴移动通过传感器，该距离基本被连续测得，或者示出不变的已知管径(从而示出基本呈圆形的管子横截面)，或者示出直径的变化(从而示出该部位管子的非圆形横截面)。
在一个特殊方面中，使用两个对置的探测靴，每个探测靴配有自己的传感器。在一个实施例中，使用内外一组探测靴同时测量管子的内部和外部。
使用一种将一束激光束射到一个探测靴上的一个光束反射器或光束反射面上的激光测量器作为传感器(或多个传感器)，这属于本发明的范围。因为探测靴可以随被测管子的外径变化进行轴向移动，所以光束反射器或光束反射面和激光器之间的距离可以改变。示出这种距离变化，就示出管子椭圆度的变化；测量该变化，就示出其变化程度。
在其它方面中，传感器是任何适宜的公知线性距离测量装置或设备，包括但不限于声波距离测量装置或设备，或者电容距离测量装置或设备(例如但不限于线性可变差动变压器)。
在某些实施例中，本发明提出一种用于管子椭圆度测量的设备，这种设备具有一个臂，一个或多个探测靴安装在所述臂上，每个探测靴一个表面接触一个管子部件。一个或多个传感器检测传感器/探测靴的距离。该距离的变化示出管子椭圆度的变化。
在某些实施例中，本发明提供一种处理传感器产生的信号的设备，以消除管子相对于探测设备偏心的作用。当一个待测管子与一个本发明探测设备完全对中，并使用等量探测靴和传感器的时候，管子的直径随探测靴的厚度以及探测靴和相应的传感设备之间的距离的变化而变化。当管子与探测设备偏心时，一个第一探测靴/传感器装置的探测靴-传感器距离的缩小，由同第一探测靴/传感器装置相对的一个第二探测靴/传感器装置的探测靴-传感器距离的增大予以抵消。在从这种装置进行的数据处理中，缩小的距离在数学上抵消增大的距离，管子的偏心作用为零，因此，尽管存在这种管子偏心作用，也会获得正确的直径测量结果(内径和/或外径)。
根据本发明的另一个方面，一种测量管子外径的系统包括一对彼此完全对置的传感器，一个待测管子可以在所述传感器之间移动，这对传感器中每个传感器包括一个用于接触管子外表面的探测器，每个所述探测器可移动地安装在支架装置上，每个所述探测器可以沿管子的外表面移动，并且随管子外径的变化进行轴向移动，每个探测器包括一个用于反射一束激光束的光束反射面，一个围绕管子转动的转动头部，支架装置固定在转动头部上，每个探测器相对于转动头部进行移动，一对固定在支架装置上的激光器，这对激光器中的每个激光器与所述一对传感器中的每个传感器相连，每个激光器用于将一束激光束射到一个相应的探测器的光束反射面上，所述光束反射面用于接收一束反射的激光束，并且用于产生一个表示所述光束反射面和激光器之间的距离的信号，以及用于将所述信号传输到处理设备以确定管子外径的传输装置。
所述系统最好还包括用于确定管子外径的处理设备。
有利地是，所述系统还包括用于显示管子外径的显示器。
所述系统最好还包括用于沿管子检测转动头部位置的线性移动编码器。
有利地是，所述系统还包括用于围绕管子检测所述一对传感器圆周位置的圆周位置指示器。
所述系统最好还包括线性移动编码器和相关器，所述线性移动编码器用于沿管子检测转动头部位置，所述相关器用于使所述一对传感器的圆周位置与转动头部沿管子的位置相关，以提供管子上外径测量的位置。
有利地是，传输装置位于转动头部上，传输装置包括用于传输表示管子外径的信号的无线传输装置。
所述系统最好还包括用于接收由所述无线传输装置传输的信号的接收装置。
有利地是，所述系统还包括与所述接收装置保持联系的处理设备，用于处理由接收装置接收的信号以确定管子的外径。
所述系统最好还包括用于显示管子外径的显示器。
有利地是，显示器可以显示管子的横截面图象。
显示器最好可以显示管子的三维图象。
有利地是，显示器可以显示在管子上不同的已知部位管子的多个外径测量结果的矩阵。
处理设备最好包括用于使管子与所述一对传感器的偏心作用为零的装置。
有利地是，传输装置远离转动头部。
所述系统最好在转动头部上还包括处理设备，用于处理来自传感器的信号，并用于将表示管子外径的信号传输到远离转动头部的接收装置。
有利地是，所述系统还包括用于使转动头部转动的转动装置。
所述系统最好还包括用于使管子在所述一对传感器之间移动通过转动头部的管子移动装置。
有利地是，管子是组成管道、钻管、套管、钻套管和管道系统的类型的管子。
根据本发明的另一个方面，一种测量管子外径的系统包括至少一个传感器，一个管子可以在其附近移动，所述至少一个传感器包括一个用于接触管子的一个外表面的探测器，所述探测器可移动地安装在支架装置上，所述探测器可以沿管子的外表面移动，并且随管子外径的变化进行轴向移动，所述探测器包括一个用于反射一束激光束的光束反射面，一个围绕管子转动的转动头部，支架装置固定在转动头部上，至少一个固定在支架装置上的激光器，所述至少一个激光器与所述至少一个传感器相连，所述至少一个激光器用于将一束激光束射到探测器的光束反射面上，所述光束反射面用于接收一束反射的激光束，并且用于产生一个表示所述光束反射面和所述至少一个激光器之间的距离的信号，以及用于将所述信号传输到处理设备以便确定管子外径的传输装置。
根据本发明的另一个方面，一种测量管子外径的系统包括至少一个线性距离测量装置，一个被测管子可以在其附近移动，所述至少一个线性距离测量装置包括一个用于接触管子的一个外表面的探测器，所述探测器可移动地安装在支架装置上，所述探测器可以沿管子的外表面移动，并且随管子外径的变化进行轴向移动，一个围绕管子转动的转动头部，支架装置固定在转动头部上，
至少一个固定在支架装置上的并与线性距离测量装置保持联系的信号发生器，所述至少一个信号发生器用于产生一个表示所述探测器和一个已知点之间的距离的信号，以及用于将所述信号传输到处理设备、以便确定管子外径的传输装置。
最好，线性距离测量装置是组成激光装置、电子测量装置、声波测量装置、红外测量装置、以及线性可变差动变压器装置的类型的线性距离测量装置。
根据本发明的另一个方面，一种测量管子直径的系统包括至少一个线性距离测量装置，一个被测管子可以在其附近移动，一个相对于管子进行转动的转动头部，所述至少一个线性距离测量装置安装在转动头部上，以及所述至少一个线性距离测量装置用于产生一个表示管子直径的一个测量结果的测量信号。
对于每个所述至少一个线性距离测量装置来说，所述系统还有利地包括一个信号发生器，用于接收测量信号，处理测量信号以产生一个表示测得的直径的传输信号，并且将所述传输信号传输到附加的处理器。
所述系统最好在转动头部上还包括传输装置，传输装置包括无线传输装置，用于传输表示管子外径的信号。
有利地是，所述系统还包括用于接收由所述无线传输装置传输的信号的接收装置。
所述系统最好还包括与所述接收装置保持联系的处理设备，用于处理由接收装置接收的信号以确定管子的外径。
有利地是，所述系统还包括用于显示管子外径的显示器。
所述至少一个线性距离测量装置最好是组成激光装置、电子测量装置、声波测量装置、红外测量装置、以及线性可变差动变压器装置的类型的线性距离测量装置。
有利地是，所述至少一个线性距离测量装置是多个相间隔的线性距离测量装置。
信号处理器最好位于转动头部上。
有利地是，转动头部可以定位在一个管子内，其中，直径是内径。
转动头部最好可以在管子外部围绕管子转动，直径是外径。
根据本发明的另一个方面，一种测量管子直径的方法包括将一个管子定位在一个测量管子直径的系统附近，所述系统包括至少一个线性距离测量装置，一个待测管子可以在其附近移动，一个转动头部可以相对于管子进行转动，所述至少一个线性距离测量装置安装在转动头部上，所述至少一个线性距离测量装置用于产生一个表示管子直径的一个测量结果的测量信号，使用所述至少一个线性距离测量装置检测从所述装置到所述管子的一个表面的距离，以及使用所述至少一个线性距离测量装置产生一个表示管子直径的一个测量结果的测量信号。
有利地是，直径是管子的内径。
根据权利要求34所述的系统，其中，直径是管子的外径。
根据本发明的另一个方面，一种测量管子直径的方法包括将一个管子定位在一个测量管子直径的系统附近，所述系统包括至少一个传感器，一个待测管子可以在其附近移动，所述至少一个传感器包括一个用于接触管子的一个外表面的探测器，所述探测器可移动地安装在支架装置上，所述探测器可以沿管子的外表面移动，并且随管子的外径变化进行轴向移动，所述探测器包括一个光束反射面，用于反射一束激光束，一个转动头部可以围绕管子转动，支架装置固定在转动头部上，至少一个激光器固定在支架装置上，所述至少一个激光器与所述至少一个传感器相连，所述至少一个激光器用于将一束激光束射到探测器的光束反射面上，所述光束反射面用于接收一束反射的激光束，并产生一个表示所述光束反射面和所述至少一个激光器之间的距离的信号，传输装置用于将所述信号传输到处理设备，以便确定管子的外径，以及使用所述系统测量管子的外径。
直径最好是管子的内径。
有利地是，直径是管子的外径。
为了更好地理解本发明，现在参照附图和非限制性实施例加以说明。
附图如下图1A是本发明设备的第一实施例的侧视剖视图，处于检查管子的使用中，图中仅示出其一部分；图1B是图1A所示设备的端部剖视示意图；图1C是本发明设备的第二实施例的端部剖视示意图，处于检查管子的使用中；图1D是本发明设备的第三实施例的端部剖视示意图，处于检查管子的使用中；图2A和2B是本发明设备的操作原理的端部剖视示意图；图3是本发明设备的第四实施例的端部剖视示意图，处于检查管子的使用中。
具体实施例方式
如图1A和1B所示，一个管子检查设备10包括一个转动头部20，转动头部20安装在适当的转动和移动装置9上(装置9示意地示出，例如可以使用任何公知的适当的头部移动和转动装置)，转动和移动装置9用于使转动头部20围绕一个管子12(或任何待检查管子)进行转动。管子12可以移动通过转动头部20的一个中央开口21。使用中，转动头部20约以300rpm进行转动，管子12以约0.5米/秒至2米/秒的速度进给，通过中央开口21。管子12进给通过设备10越快，其被测细节越少，反之亦然。
传感器装置30和40与头部20相连接。每个传感器装置30、40具有一个探测靴31、41和一个臂32、42，臂32、42在一个枢点32a、42a转动地安装到一个支承件33、43上。探测靴31、41包括用于接触管子12的碳化物板，碳化物板具有良好的耐磨性能和“跨接”特性。每个支承件33、43刚性地安装到头部20上。一个探测靴支座34、44的一端在枢点34a、44a转动地安装到臂32、42上，另一端安装到探测靴31、41上。可以在同枢点34a、44a相对的臂32、42的一端上任选地分别使用一个配重(或多个配重)33b、43b。
每个探测靴31、41的定位和设置使得在使用中，其下表面35、45接触管子12的外表面13，并由配重33b、43b推动到外表面13上。随着头部20围绕管子12转动，配重33b、43b径向朝外移动。由于枢点32a、42a和34a、44a以及臂32、42和34、44，配重33b、43b的朝外移动转换成在臂34、44上的径向向内的移动，将探测靴31、41推动到管子12上，反作用于其本身的径向朝外的移动。当头部20转动时，管子12移动通过中央开口21的移动，产生一个围绕其行进的螺旋路径。探测靴31、41可以具有任何适当的长度。上翘的端部36a、36b、46a、46b(可选)有助于确保在使用中管子的物理尺寸的突然变化不损坏检查设备10。
每个探测靴31、41还包括一个光束反射器37、47(例如但不限于一个光束反射器、光束反射面或反射镜)，光束反射器37、47在探测靴31、41上连接成，探测靴的移动使光束反射器37、47进行相应的移动。一个线性移动编码器56(见图1D)示出管子12的纵向部位，并且与一台计算机和/或其它数据处理/记录设备(例如传感器装置30、40)相互连接。
每个传感器装置30、40包括一个激光器38、48，使用中，激光器38、48朝其相应的光束反射器37、47发射一束可见光激光束。激光束沿一个路径38a、48a行进，从光束反射器37、47朝每个传感器装置30、40上的一个传感器(未示出)进行反射。一束激光的一个脉冲从激光器38、48行进到传感器装置上的光束反射器37、47所用的时间表示传感器装置30、40至光束反射器37、47的距离(即距离＝光速×时间)。该时间可以通过与头部20相连的电子电路(未示出)测得。该时间取决于路径38a、48a的长度，因此，表示在管子12和一个探测靴31、41之间的接触点处的管子12的外径。传感器装置输出一个表示传感器装置和探测靴之间的距离的模拟电压信号。在设备的每一次转动中，每个传感器装置进行256次距离测量，可以用于确定围绕管子的128个直径数值。
电子外径指示信号通过电缆14、15从传感器装置30、40分别以模拟形式(例如表示为一个电压或电流回路)输送到信号处理设备和/或数据显示器(未示出)。
如果管子12在任一点或段受损(例如不圆)，探测靴就借助于枢点32a、42a和34a、44a在这一点或段向内或向外进行径向移动。因此，每个探测靴31、41的位置相对于保持固定的传感器头30、40的位置进行移动。这样，路径38a、48a可以在长度上增大或缩小，一个激光脉冲从传感器装置30、40行进到光束反射器再返回到传感器装置所用的时间将从一个相当于管子圆度的已知数值增大或减小。设备可以用一组已知是圆的具有不同直径的管子进行校准。小直径的管子与大直径的管子相比具有较大的路径行进时间(或距离)，因为小直径管子的探测靴离激光装置较远。操作人员可以在检测前将待检查管子的直径输入到计算机中。计算机可以在使用基准管子组建立的存储在存储器中的数据库中查找该直径的预定的路径长度时间(或距离)。然后，可以根据参考值检查管子。使用激光和精密的计时电路，可以精确而快速地确定被测管子的椭圆度。
每当头部20围绕管子12转一圈时，一个头部标记16就转动经过一个标记传感器18。标记传感器18与处理设备19相连接(电缆14、15也可以连接到处理设备19上)，处理设备19处理来自传感器30、40的数据(例如将模拟电子信号转换成数字信号)，使数据与头部20的特定一转相关。这样，数据与管子12的一个特定的纵向段相联系。
可以对每个管子产生的数据进行检查，确定每个管子是否符合参考标准，或者在预定的公差内，例如其直径的期望的路径长度的行进时间。这种检查例如可以由计算机进行，计算机输出一个表示管子质量的电子信号。该信号可以传输到其它的电子装置(例如自动装置)，所述电子装置可以将未通过检测的管子移开。或者也可以使用电子信号使未通过检测的管子自动加以标记(例如通过喷漆进行标记)。
头部20可以使用任何适当的公知的电源或电源装置8(图1B示意地示出)使之转动(用于传感器和/或探测器的任何其它头部、座架或支承件可以具有这种电源或电源装置)。在头部附近或者在头部上使用一种无线电源装置提供使头部转动的电力，也属于本发明的范围。
如图1C所示，一种管子检查设备10a类似于图1A和1B所示的管子检查设备10，相同的标号表示相同的部件。一台计算机50安装在转动头部20上，用于处理通过电缆14、15从传感器30、40传输来的模拟信号。一个以太网通讯装置51(例如一个以太网卡)将从计算机50接收的数字信号(相当于来自传感器30、40的模拟测量信号)传输到一台远离转动头部20的处理计算机52上。处理计算机52具有一个以太网通讯装置53(例如一个以太网卡)，用于同转动头部20上的以太网通讯装置51进行无线通讯(传输、接收)。处理计算机52可以使用传感器装置30、40产生的数据在显示屏54上显示已处理数据和/或产生的管子图象(例如横截面)，和/或可以连接一台打印机或者记录装置55，产生一个硬纸拷贝，以表格、矩阵或图形的形式示出数据。
如图1D所示，一种管子检查设备10b类似于图1A和1B所示的管子检查设备10，相同的标号表示相同的部件。设备10b使用一个环接触系统，用于把来自远离转动头部20的传感器30、40的数据传输到数据处理设备59。如同现有技术中任何适当的公知环接触数据传输系统(例如配有银或铜导电环)那样，一个环系统57安装在转动头部20附近。接收导体触头58(例如由一种良导体、例如石墨制成，系统57的每个导电环两个)接触导电环并接收数据，数据由此通过电缆59a传输到数据处理设备59。环系统57可以围绕头部包括一个或多个导体条(例如但不限于围绕头部圆周的银条或铜条)。设备10b相对于管子12的纵向部位由一个线性移动编码器56(例如任何公知的编码器，可以与任何的本发明系统一起使用)加以检测，线性移动编码器56将表示纵向位置的信号传输到数据处理设备59。或者，数据由通常的数据传输装置从头部传输到一台计算机或其它远离头部的处理器。或者根据本发明，编码器具有一个无线传输装置，将数据无线传输到数据处理设备59(或者传输到任何适当的处理器、计算机、电子装置等)。
如图2A所示，一个管子检查设备60可以测量具有如图2A所示的外径D的一个管件、例如管子62的外径。在一个转动头部(未示出，但可以是如图1A所示的头部20)上安装有两个线性距离测量装置LDM1和LDM2，每个起初与相应的探测靴S1、S2的顶部间隔一个距离1。探测靴S1、S2与上述任何探测靴相同和/或与图1A所示的探测靴31、41相同，安装到头部上的方法也相同。图2A中的“L”是从装置LDM1的底部到装置LDM2的顶部的距离(见图2A)，在设备60工作期间，该距离不变。探测靴S1、S2的厚度s1、s2在设备60工作期间也不变。但是，如果一个管子62的纵向轴线或者管子的位置偏离设备60的轴线，那么，线性距离测量装置LDM1、LDM2及其各自的探测靴S1、S2之间的距离1可以改变，如图2B所示。如果一个探测靴磨损，则测量和使用新探测靴厚度s1、s2，从而重新校准系统。探测靴定期予以更换。
如图2B所示，管子62偏心一个距离d，因此，从装置LDM1到探测靴S1的距离为1-d，从装置LDM2的距离为1+d。对位于图2A所示位置的管子62来说，直径D由下式给出D＝L-1-1-s1-s2当管子62偏心时，例如如图2B所示，则直径D由下式给出D＝L-(1-d)-(1+d)-s1-s2得到D＝L-1-1-s1-s2即偏心距离d的作用被抵消，并得到一个正确的直径测量结果。因此，在开始检查程序时或者在检查期间，管子不必与设备60的轴线同轴地插入。这在设置设备时节省大量时间，因为将管子输送到设备60的机器不必在使用前精确定位。同样的计算应用于在管子内工作的本发明设备的偏心问题。本发明系统的处理设备、电子计算器、和/或计算机被编程，以使用这些公式进行这些计算。
装置LDM1和LDM2可以是任何公知的线性测量装置，包括但不限于图1A所示的系统10中的激光装置、声波或红外测量装置、线性可变差动变压器装置、以及电子测量装置。在一个实施例中，装置LDM1和LDM2是图1A所示的激光装置。当一台计算机位于转动头部上、数据进行无线传输时，传感器18(见图1B)位于头部上，一个标记位于头部附近的一个固定部件上。一个编码器、例如上述的编码器56可以用于系统60(也可以用于本发明的任何系统)，提供有关于管子纵向位置的数据，进行直径测量。
位于头部上的一台计算机50计算和存储距离测量结果D以及每一转的标记信号，并计算椭圆度，例如使用直径读数相对于圆周的傅立叶变换。计算机50在头部每一转之后通过无线以太网(或者通过如图1D所示的一个环系统)将计算结果传输到一台固定计算机。固定计算机接收来自转动计算机50的直径数据和计算结果，并且接收一个表示管子行进长度、例如一定的单位长度、例如一英寸的信号。然后，固定计算机可以输出检查结果，例如以一个二维数据矩阵的形式输出，其一个轴线是取直径读数处的管长，其另一个轴线是这一点处的圆周。管子一定部位的直径读数也可以在该矩阵中加以表示。该数据矩阵可以存储在每个管子的一个电子数据文件中，可以通过电子方法、例如电子邮件、以太网传输给一个客户，和/或可以存储在一个软盘或CD盘中以供分发。可以采用椭圆度数据结果与公知系统获得的厚度数据积分计算和预测管子的损坏情况。
在本发明方法的一些方面中，一个管子的直径随管子的圆周而变化，如果在管子上的一定部位测得的一个管子直径符合给定的直径，那么，管子在该部位是圆的。如果在一定部位测得的直径(内径和/或外径)与给定的直径不同，那么，管子在这一点是椭圆的(即不是圆的)。
这里，任何计算机、处理器或者处理设备都可以包括数据存储器(例如图1D所示的存储器70)，用于存储数据和/或计算结果和/或图象。根据本发明，任何这种计算机和/或这种存储器都可以包括显示屏、打印机和/或制图装置(例如图1D所示的装置70a)，用于显示和提供数据、图象和/或结果。
如图3所示，一种设备80类似于上述图1A-1D所示的设备，相同的标号表示相同的部件(例如传感器30N等于传感器30；枢点34P等于枢点34a；配重43S等于配重43b)。配重33S、43S任选。设备80在管子内部而不是在管子外部工作检测管子的椭圆度。
设备80包括探测器31N、41N，使用中，探测器31N、41N被推动到一个上升器RS的内表面SF上并与之接触(显然，在任何管子，包括但不限于管子、套管以及管道内使用本发明的这种系统，均属于本发明范围)。分别偏置在杆81、83和臂32N、42N之间的弹簧82、84向内推动臂32N、42N，因而朝外推动探测器31N、41N。在本发明范围内，可使用定位在传感器之间的一个或多个弹簧或者其它可变形推动部件或机构，并向外推压它们，例如但不限于图3所示的可选的空心杆88、弹簧89布置，其中，弹簧89朝外推动两个探测器31N、41N。在本发明范围内，可使用任何公知装置、结构、机构或器具朝外推动探测器31N、41N浮动或跨接在上升器RS的内表面SF上，包括但不限于片簧、螺簧、盘簧、实心挠性垫、充气或注水件或者波纹管，以及气缸/活塞机构。使用一个、两个、三个、四个、五个、六个或多个探测器也属于本发明的范围。
传感器30N、40N安装在一个带转轮86的托架85上，转轮86转动地安装在轴装置87上。用于使一个设备移动通过一个管子的任何公知的托架、头部或支架结构件都可以用作传感器30N、40N的支承件，带轮的或不带轮的，包括但不限于用于管内使用的焊接设备的以及用于在管内检查焊缝的设备的公知的头部、支架和/或托架。
使用中，设备80的工作方式类似于图1A-D所示的设备。内表面SF圆度的变化使光束反射板37N、47N相对于固定的传感器装置30N、40N进行移动。这又导致从传感器装置运行和返回到传感器装置的脉冲的路径长度时间发生变化。测得的时间表示出管子的内径。
系统80包括这里所述的本发明其它系统用的适当的电缆、电路、有线信号处理、接收和/或传输设备、装置和/或设备。
在本发明的其它实施例中，探测器或探测靴及其相关的构件和设备(如同在上述任何系统中)被删除，一束激光束射到管子本身的表面并从管子表面进行反射(在用于测量和检查管子内径、管子外径的任一或者两者的系统中)；或者其它没有探测靴或探测器的线性距离测量装置。在这种没有探测器或探测靴的系统中，可以在管子外部和/或内部的一个头部、支承件或其它支架上使用任意所需数量的光束装置或其它线性距离测量装置。
权利要求
1.一种检查管子的设备，它包括电磁辐射发射器和用于检测所述电磁辐射发射器发射的电磁辐射的传感器，所述设备限定一个路径，电磁辐射可在电磁辐射发射器和传感器之间沿该路径传播，其布置使得在使用中，所述路径的长度随所述管子的椭圆度而变化，所述传感器可以输出一个表示所述路径长度的电子信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括一个第一部分，提供一个基本固定的基准架，以及一个第二部分，可以相对于所述第一部分进行移动，以接触被测管子的一个表面，其布置使得在使用中，所述第二部分随管子在接触点的直径而移动，提供所述路径长度的变化。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第二部分包括一个电磁辐射反射器，用于向所述传感器反射电磁辐射。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，它还包括用于推动所述第二部分与所述管子接触的推动装置。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述推动装置包括一个转动安装在一个臂的一端附近的配重，所述臂的另一端与所述第一部分接触，其布置使得在使用中，所述设备的转动引起所述配重朝外移动，并通过所述枢轴转换成对所述第一部分的一个向内推动力。
6.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括计时器，用于对电磁辐射通过所述路径的时间进行计时，所述计时器可以输出一个表示所述时间的计时电子信号。
7.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括转动装置，用于提供所述设备和所述管子之间的相对转动。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电磁辐射发射器可以发射电磁辐射脉冲。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述传感器可以记录每个脉冲的接收时间。
10.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括位置测量装置，用于测量所述管子相对于所述设备的位置，以致所述输出电子信号可以与一个输出位置电子信号相结合，产生所述管子在沿其长度的多个点的横截面数据。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述位置测量装置包括线性移动编码器。
12.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括移动装置，用于提供所述管子相对于所述设备的相对轴向移动。
13.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括传输装置，用于将所述输出电子信号发送到远离所述设备的处理器。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述传输装置包括一个无线传输装置。
15.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括至少两个彼此基本完全相对的电磁辐射发射器和传感器对。
16.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述电磁辐射发射器安装在一个提供一个基本固定的基准架的主体上，所述传感器安装在一个探测靴上，所述管子的直径变化导致所述探测靴在所述基准架上的相应移动。
17.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述设备适于移动通过所述管子的内部，以检测管子的内径变化。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述设备适于围绕所述管子的外部进行移动，以检测管子的外径变化。
19.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，它还包括电子处理器，用于接收所述输出电子信号，确定所述管子在沿其长度的一个点或多个点的椭圆度，并存储表示所述椭圆度的数据。
20.一种检查管子的方法，所述方法包括以下步骤(1)在一个电磁辐射发射器和一个传感器之间提供一个电磁辐射路径；(2)将一个管子定位在所述电磁辐射发射器和传感器附近，使得管子在这一点的椭圆度确定所述路径的长度；(3)沿所述路径发射电磁辐射；(4)产生一个表示所述路径长度的输出电子信号，用于确定管子的直径。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即在彼此基本完全相对的位置基本同时进行步骤(1)至(4)，以提供两个输出电子信号，用于确定管子在这一点的直径。
21.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即使用所述输出电子信号，以通过一个电子处理器确定一个距离值，该距离值表示所述电磁辐射发射器和所述管子之间的距离。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即通过所述电子处理器确定一个直径值，表示所述管子在这一点的直径，将所述直径值存储在存储器中。
23.根据权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即在围绕所述管子圆周的多个点产生所述输出信号，使得表示所述管子横截面的数据可以电子地产生和存储。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即在所述管子和所述电磁辐射发射器和传感器之间提供相对转动，以便在多个点产生所述输出信号。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤，即在所述管子和所述电磁辐射发射器和传感器之间提供相对轴向移动，并且电子地产生和存储表示管子在沿管子长度的多个点的横截面的数据。
26.根据权利要求20至25之一所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤，即通过一个设备的一个第一部分提供一个基本固定的基准架，通过设备的一个可以相对所述第一部分活动的第二部分接触被检查管子的一个表面，其布置使得在使用中，所述第二部分随管子在接触点的直径而移动，以提供所述路径长度的变化。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即推动所述第二部分与所述管子接触。
28.根据权利要求20至27之一所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即使用一个电磁辐射反射器向所述传感器反射所述电磁辐射。
29.根据权利要求20至28之一所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即发射一个或多个电磁辐射脉冲。
30.根据权利要求20至29之一所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即将所述输出电子信号传输到电子处理器。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述传输步骤通过无线传输进行实施。
32.根据权利要求20至31之一所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即通过管子的内部进行移动，并在管子的内径上实施所述方法。
33.根据权利要求20至31之一所述的方法，其特征在于，它还包括一个步骤，即围绕管子的外部进行移动，并在管子的外径上实施所述方法。
34.一种检查管子的设备，该设备包括在所述设备上基本完全相对、间隔一个已知距离的第一和第二测量装置，第一测量装置用于测量管子的一个表面与第一测量装置之间的一个第一距离，第二测量装置用于测量管子的一个表面与第二测量装置之间的一个第二距离，其布置使得在使用中，第一测量装置可以输出表示所述第一距离的一个第一电子信号，第二测量装置可以输出表示所述第二距离的一个第二电子信号，第一和第二输出电子信号可以用于使用所述已知距离来确定所述管子在两个测量装置之间的直径，其布置使得，即使所述第一和第二距离不同，对于其纵向轴线偏离所述设备的中央轴线的一个管子，也可以得到直径的准确测量。
35.一种检查管子的方法，该方法包括以下步骤(1)提供基本完全相对的、间隔一个已知距离的第一和第二测量装置；(2)测量管子的一个表面和第一测量装置之间的一个第一距离，测量管子的一个表面和第二测量装置之间的一个第二距离；(3)产生表示所述第一距离的一个第一电子信号、及表示所述第二距离的一个第二电子信号；(4)通过电子处理器，使用所述已知距离确定所述管子在两个测量装置之间的直径；其中，即使所述第一和第二距离不同，对于其纵向轴线偏离所述设备的中央轴线的一个管子，也可以得到直径的准确测量。
全文摘要
一种检查管子的设备，包括电磁辐射发射器和用于检测所述电磁辐射发射器发射的电磁辐射的传感器，所述设备限定电磁辐射在电磁辐射发射器和传感器之间行进的一个路径，其布置使得在使用中，所述路径的长度随所述管子的椭圆度而变化，所述传感器可以输出一个表示所述路径长度的电子信号。
文档编号G01B11/10GK1606684SQ03801746
公开日2005年4月13日 申请日期2003年4月7日 优先权日2002年4月5日
发明者克莱夫·C·拉姆, 曼弗雷德·H·沃姆斯, 赫尔穆特·W·克纳普沃斯特, 贝恩德·H·多伯施泰因 申请人:瓦克I/P公司