一种连续油管对接接头强度无损检测装置及方法与流程

本发明属于金属焊接技术领域，具体涉及一种连续油管对接接头强度无损检测装置及方法。

背景技术：

连续油管（coiledtubing，简称ct）是一种长达几百米至几千米的没有接头的管子，一般由高强钢制成，制造完成后盘绕在卷筒上。作业过程中，盘绕在卷筒上的连续管经过牵引、拉直、弯曲转向和再次校直后，被送入井下，成为输送作业介质的载体或工作管柱；作业后，卷筒反向运动，将连续管由井下拽扯提升出来，重新盘绕到卷筒上，以便反复使用。在此过程中，由于注入头的牵引、其它管柱的摩擦、作业介质的冲刷及腐蚀等作用，连续油管不可避免会产生局部损伤和失效。去除局部损伤和失效的管段，在现场进行连续管的管-管对接焊是解决该问题的唯一方法。

目前，国内外普遍采用手工tig(钨极氩弧焊)焊进行对接焊，去除余高后直接下入井筒进行作业。然而，由于连续油管的材质为控轧控冷细晶粒钢，tig焊的热输入对焊接接头热影响区的强度会造成一定影响，可能会产生软化区。软化区的强度低于母材，成为静强度破坏及疲劳破坏的高发区域。如何通过无损检测的手段掌握焊接接头区域强度分布规律、了解软化程度及范围一直是该领域亟待解决的问题。然而目前还没有一种方便的、针对工作接头进行的强度检测方法。一般通用的方法是在现场制作对比试样，然后再在实验室对该试样进行破坏性分析。然而，由于工作接头与对比试样仍然存在各种差异，并不能完全代表工作接头的性能，且无法在工作接头服役之前给出分析结果，对接头服役安全性不能提供充分可靠支撑。因此，开发一种无损的、能够方便地在现场应用、快速检测焊接接头强度的方法是解决这个问题的关键。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种现场进行焊接接头强度无损检测的装置及方法，能在现场用的、设备便携的、快速的、无损的接头强度检测；提高了连续油管对接接头的服役安全性，检测工艺简单方便，成本低廉，效率高，能使焊接接头的服役安全性得到保证。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种连续油管对接接头强度无损检测装置，包括工作台，工作台1两侧分别设有一个工字型的下支架；下支架的上横梁的中部设有上v形凹槽；两个下支架上部各连接一个工字型的上工作台；上工作台的下横梁的中部设有下v形凹槽；上v形凹槽与下v形凹槽配合后组成菱形孔；两个上工作台的上部连接有支撑板；支撑板中部设有通孔；通孔的一侧设有移动机构；移动机构顶部与测量装置夹持板相连；测量装置夹持板的u形凹槽夹持硬度检测装置；硬度检测装置的下端穿过通孔；硬度检测装置的上端通过线缆一与数据采集及分析系统相连；移动机构右侧的电机通过线缆二与控制系统相连；表面清理装置与电解抛光头相连。

所述的工作台上设有两条平行的倒t形凹槽；下支架的下横梁两侧通过螺栓一固定在t形凹槽上。螺栓一上端与螺母配合，螺栓一上还设有垫片一、弹簧垫片一；螺栓一采用m12螺栓。

所述的下支架、上工作台、夹紧调整块组成夹紧装置；上工作台与下支架连接后，中部形成菱形孔，上工作台上部与自动移动装置相连；所述的菱形孔用于放置被测量的连续油管。

所述的下支架上横梁两端与上支架的下横梁两端通过螺栓四、螺母四相连；螺栓四上还设有垫片四、弹簧垫片四。

所述的下v形凹槽内壁设有夹紧调整块。

所述的移动机构为单向移动，移动范围50mm，移动精度为0.01mm；移动机构通过螺钉二与测量装置夹持板连接；螺钉二上还设有垫片五、弹簧垫片五；螺钉二采用m5螺钉。

所述的支撑板与上工作台的上横梁两端通过螺栓二、螺母二连接；在螺栓二上还设有垫片二、弹簧垫片二；螺栓二采用m10螺栓。

所述的测量装置夹持板与移动机构通过螺钉相连；螺钉上还设有垫片三、弹簧垫片三；螺钉采用m5螺钉。

所述的硬度检测装置为便携式超声波硬度检测装置，可实现连续油管对接接头硬度的现场无损测量。

所述的支撑板、测量装置夹持板、移动机构、电机组成自动移动装置；支撑板用于实现与夹紧装置、移动机构的连接；测量装置夹持板上设有u形槽，u形槽的槽壁上设有夹持垫，夹持垫可方便实现近紧密夹持；测量装置夹持板与移动机构固定连接；移动机构设在支撑板的一侧；支撑板的中部设有一方形通孔；硬度检测装置的下端穿过方形通孔，硬度检测装置的中部固定在u形槽内；

所述的控制系统为plc自动控制系统，可实现对测量点的控制。

所述的数据采集及分析系统为数字化数据采集及分析系统，包括数字化函数记录仪及plc，可实现硬度测点设置、测试数据的采集、分析、记录与输出，以及硬度与强度的转换。

所述的表面清理装置为便携式电解抛光装置，可以一次实现20mm范围内的表面准备。

一种焊接接头强度无损检测方法（利用一种焊接接头强度无损检测装置的检测方法），包括以下步骤：

步骤一，利用表面清理装置对待测接头一侧30mm范围进行电解抛光，并用酒精清洗待测接头区域；

步骤二，将工作台、下支架、上工作台组装好，并置于现场焊接的撬装设备工作平台，将连续油管置于下支架、上工作台之间的菱形孔内，使待测接头区域位于硬度检测装置的中间部位，经电解抛光的待测表面位于连续油管的上部；

步骤三，将自动移动装置与夹紧装置组装，置于工作台上，根据管径的大小调整所需的夹紧调整块，并与下支架固定；

步骤四，将硬度检测装置置于测量装置夹持板的u形槽的夹持垫内，避免歪斜，使硬度检测装置的轴线与连续油管的轴向垂直；

步骤五，通过控制系统设置测点的位置及顺序；

步骤六，设置数据采集及分析系统的采集频率及强度转换处理方法；设置移动机构移动速度为1mm/s，每隔1分钟移动0.5mm，每隔1分钟触发一次硬度检测装置，数据采集及分析系统的采集频率设置为1次/1分钟；强度转换处理方法可根据材料选择对应的转换程序；

步骤七，硬度测试范围及测点的选取：

1）硬度测试范围设置：从焊缝中心开始往外10mm，由于焊接接头两侧状态是对称的，取单侧进行测量；

2）硬度测点设置：从焊缝中心开始，每隔0.5mm设置一个测点；

步骤八，启动控制系统及数据采集系统，开始测试及采集；

步骤九，对采集到的硬度数据进行处理，给出硬度分布规律；通过分析系统中的推荐公式换算强度，并给出强度分布规律；若局部强度低于母材，则给出提示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的连续油管对接焊接头的强度无损检测装置结构简单，使用方便，测试效率高，测试数据可靠，具体方法是：利用表面清理装置对连续油管31的待测表面进行处理，使其光洁度达到测试要求；利用工作台1及夹紧装置11固定连续油管31，使其与硬度检测装置20的轴线保持垂直；利用控制系统控制电机28的动作，实现自动移动装置13及硬度检测装置20在测点间自动转换；利用数据采集及分析系统36控制硬度检测装置20的测试，并进行数据采集与分析，给出硬度分布规律及强度分布规律，当强度低于母材时给出警示信息。该方法实现了高效、精准、低成本的连续油管对接接头现场无损检测强度的过程，是一种绿色制造和可持续发展模式。

附图说明

图1连续油管对接焊接头的强度无损检测装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做详细叙述。

一种连续油管对接接头强度无损检测装置，包括工作台1，工作台1两侧分别设有一个工字型的下支架2；下支架2的上横梁的中部设有上v形凹槽；两个下支架2上部各连接一个工字型的上工作台12；上工作台12的下横梁的中部设有下v形凹槽；上v形凹槽与下v形凹槽配合后组成菱形孔；两个上工作台12的上部连接有支撑板29；支撑板29中部设有通孔；通孔的一侧设有移动机构24；移动机构24顶部与测量装置夹持板19相连；测量装置夹持板19的u形凹槽夹持硬度检测装置20；硬度检测装置20的下端穿过通孔；硬度检测装置20的上端通过线缆一35与数据采集及分析系统36相连；移动机构24右侧的电机28通过线缆二33与控制系统34相连；表面清理装置38与电解抛光头37相连。

所述的工作台1上设有两条平行的倒t形凹槽32；下支架2的下横梁两侧通过螺栓一3固定在t形凹槽32上。螺栓一3上端与螺母6配合，螺栓一3上还设有垫片一4、弹簧垫片一5；螺栓一3采用m12螺栓。

所述的下支架2、上工作台12、夹紧调整块30组成夹紧装置11；上工作台12与下支架2连接后，中部形成菱形孔，上工作台12上部与自动移动装置13相连。所述的菱形孔用于放置被测量的连续油管31。

所述的下支架2上横梁两端与上支架的下横梁两端通过螺栓四7、螺母四10相连；螺栓四7上还设有垫片四8、弹簧垫片四9。

所述的下v形凹槽内壁设有夹紧调整块30。

所述的移动机构24为单向移动，移动范围50mm，移动精度为0.01mm。

移动机构24通过螺钉二25与测量装置夹持板19连接；螺钉二25上还设有垫片五26、弹簧垫片五27；螺钉二25采用m5螺钉。

所述的支撑板29与上工作台12的上横梁两端通过螺栓二14、螺母二17连接；在螺栓二14上还设有垫片二15、弹簧垫片二16；螺栓二14采用m10螺栓。

所述的测量装置夹持板19与移动机构24通过螺钉21相连；螺钉21上还设有垫片三22、弹簧垫片三23；螺钉21采用m5螺钉。

所述的硬度检测装置20为便携式超声波硬度检测装置，可实现连续油管对接接头硬度的现场无损测量。

所述的支撑板29、测量装置夹持板19、移动机构24、电机28组成自动移动装置13；支撑板29用于实现与夹紧装置11、移动机构24的连接；测量装置夹持板19上设有u形槽，u形槽的槽壁上设有夹持垫18，夹持垫18可方便实现近紧密夹持；测量装置夹持板19与移动机构24固定连接；移动机构24设在支撑板29的一侧；支撑板29的中部设有一方形通孔；硬度检测装置20的下端穿过方形通孔，硬度检测装置20的中部固定在u形槽内；

所述的控制系统34为plc自动控制系统，可实现对测量点的控制。

所述的数据采集及分析系统36为数字化数据采集及分析系统，包括数字化函数记录仪及plc，可实现硬度测点设置、测试数据的采集、分析、记录与输出，以及硬度与强度的转换。

所述的表面清理装置38为便携式电解抛光装置，可以一次实现20mm范围内的表面准备。

参照图1，连续油管对接接头强度的无损检测装置，包括工作台1、夹紧装置11、自动移动装置13、硬度检测装置20、表面清理装置38、控制系统34、数据采集及分析系统36。

参照图1，所述工作台1上设有倒t形凹槽32、两个下支架2。工作台1的尺寸为300mm×200mm×20mm，由45号钢热轧板加工而成。工作台1上面开设有两道平行于长度方向的倒t形凹槽，两倒t形凹槽的中心距为80mm。下支架2与倒t形凹槽32通过两t型槽中的螺栓一3、垫片一4、弹簧垫片一5、螺母6进行连接。下支架2由q235热轧板加工而成，厚度为20mm。下支架2下部带有两个孔距为80mm的ϕ12.5mm通孔，用于实现与工作台1的连接；下支架2上部带有两个孔距为80mm的ϕ10.5mm通孔，用于实现与上工作台12连接；下支架2中部带有一个50mm×50mm的菱形孔，用于安置被测量的连续油管31。

参照图1，所述夹紧装置11包括下支架2、上工作台12、夹紧调整块30。上工作台12由q235热轧板加工而成，厚度为20mm，上工作台12下部带有两个孔距为80mm的ϕ10.5mm通孔，通过螺栓四7、垫片四8、弹簧垫片四9、螺母四10实现与下支架2的连接；上工作台12上部带有两个孔距为80mm的ϕ10.5mm通孔，通过螺栓二14、垫片二15、弹簧垫片二16、螺母二17实现用于实现与自动移动装置13的连接；上工作台12与下支架连接处的中部组成一个50mm×50mm的菱形孔，用于夹紧被测量的连续油管31。夹紧调整块30外边界尺寸为50mm×50mm，内孔尺寸为ϕ38.1mm、ϕ31.8mm，分为上下两块，夹紧调整块30由q235热轧板加工而成，分别适应1.5英寸、1.25英寸连续油管的夹紧。当连续油管的管径为2英寸时，可去除夹紧调整块30。

参照图1，所述自动移动装置13由支撑板29、测量装置夹持板19、移动机构24、电机28组成。支撑板29由q235热轧板加工而成，厚度为10mm。支撑板29中部设有有60mm×60mm的方孔，测量装置可以通过该孔实现对连续油管31的测量。支撑板29的四个角开有ϕ10.5mm通孔，通过螺栓二14、垫片二15、弹簧垫片二16、螺母二17实现用于实现与夹紧装置11的连接，螺栓二14采用m10螺栓。支撑板29右端开有4个ϕ5.5mm通孔，可利用m5螺钉二25、垫片五26、弹簧垫片五27实现与移动机构24的连接。测量装置夹持板19由q235热轧板加工而成，厚度为10mm。测量装置夹持板19左部开有ϕ50mm的u形槽，u形槽内部安装的夹持垫18采用酚醛塑料（又称胶木）或聚酰胺纤维又称尼龙材料加工而成，内部u形槽的形状与硬度检测装置20的外形相同，以方便实现近紧密夹持。测量装置夹持板19右部开有两个ϕ5.5mm通孔，可利用螺钉21、垫片三21、弹簧垫片三22实现与移动机构24的连接。移动精度高于0.01mm。电机28为伺服电机，可通过plc进行控制。

参照图1，所述硬度检测装置20为便携式超声波硬度检测装置。该装置利用硬度与谐振频率的关系进行测量，对被测试样的尺寸要求不高，载荷仅3n~200n，低于一般显微硬度测试时的载荷300n，因此测试过程不会对待测表面造成损伤。可实现连续油管对接接头硬度的现场无损测量。

参照图1，所述表面清理装置38为便携式电解抛光装置，其中电解抛光头37为ϕ20mm，可以一次实现20mm范围内的表面准备。

参照图1，所述控制系统34为plc自动控制系统，通过线缆一35可对电机28的转速、转角的数字化控制，通过移动装置24控制硬度检测装置的移动，从而实现测量点的控制。所述的线缆一35既包括信号线又包括电源线。

参照图1，所述数据采集及分析系统36为数字化数据采集及分析系统，包括数字化函数记录仪及plc，通过电源线、信号线35可实现硬度测点设置、测试数据的采集、分析、记录与输出，同时可根据内部存储的不同材质连续油管的硬度与强度关系，将硬度分析结果转换为强度分析数据，从而获得焊接接头处强度的分布规律。

本发明的工作原理是：

利用表面清理装置38清理对接接头附近30mm范围，获得合格的待测表面；将对接接头置于测试装置的菱形孔内，利用夹紧调整块30、螺栓四7、垫片四8、弹簧垫片四9、螺母四10夹紧，使得待测区域位于测试装置的中部；设置移动机构24移动速度为1mm/s，每隔1分钟移动0.5mm，每隔1分钟触发一次硬度检测装置20，数据采集及分析系统36的采集频率设置为1次/1分钟；根据所测接头的材料选择对应强度转换程序；启动测试装置后，硬度检测装置20自动进行硬度检测，数据采集及分析系统36自动采集数据并以图像及文件形式给出检测结果。

本发明一种连续油管对接接头强度无损检测的方法通过以下步骤实现：

步骤一，将对接接头的余高去除，用钢丝刷清理接头附近的锈，用丙酮去除接头附近的油污，利用表面清理装置38对接头一侧30mm范围进行电解抛光，并用酒精清洗接头区域；

步骤二，将工作台1、下支架2、上工作台12组装好，并置于现场焊接的撬装设备工作平台，将连续油管31置于置于下支架2、上工作台12之间的菱形孔内，使待测接头区域位于测试装置的中间部位，且已处理好的待测表面位于连续油管的上部；

步骤三，将自动移动装置13与夹紧装置11组装，置于工作台1上，根据管径的大小调整所需的夹紧调整块30；并与下支架2固定；

步骤四，将硬度检测装置20置于夹持垫18内部，避免歪斜，尽量保证硬度检测装置20的轴线与连续油管31的轴向垂直；

步骤五，通过控制系统34设置测点的位置及顺序；

步骤六，设置数据采集及分析系统36的采集频率及强度转换处理方法；

步骤七，硬度测试范围及测点选取：

1）硬度测试范围设置：从焊缝中心开始往外10mm，由于焊接接头两侧状态是对称的，取单侧进行测量；

2）硬度测点设置：从焊缝中心开始，每隔0.5mm设置一个测点；

步骤八，启动控制系统及数据采集系统36，开始测试及采集；

步骤九，对采集到的硬度数据进行处理，给出硬度分布规律；通过分析系统36中的推荐公式换算强度，并给出强度分布规律；若局部强度低于母材给出提示。

实施例一：

按照本发明的方法，采用本装置测试2英寸、壁厚4mm的ct90焊接接头强度，焊接过程采用了水冷调控作用。测试工艺参数：测试范围为焊接接头一侧20mm范围，测点间距0.5mm，测试载荷200n。测试结果显示接头待测区域内无可见压痕，测试数据反映出在焊接热影响区内无软化现象。

对比例一：

采用拉伸方法按标准测试2英寸、壁厚4mm的ct90焊接接头强度，需截取焊接接头试样进行拉伸试验，焊接接头被破坏，无法实现针对实际工作接头的强度测试。

对比例二：

采用洛氏硬度计按标准测试2英寸、壁厚4mm的ct90焊接接头的硬度分布，载荷10kg。测试设备体积庞大，无法实现对工作接头现场检测，同时压痕大约1mm，在很大程度上影响接头的工作性能。

对比例三：

采用显微维氏硬度计按标准测试2英寸、壁厚3.8mm的ct90焊接接头的硬度分布，载荷200g。测试设备对试样的要求较高，无法实现管体的硬度测量，必须切取焊接接头金相试样进行硬度分析。

对比例四：

采用里氏硬度计测试2英寸、壁厚4mm的ct90焊接接头的硬度分布，接头的刚度及尺寸不满足测试设备要求，无法给出稳定测试结果。

实施例二：

按照本发明的方法，采用本装置测试2英寸、壁厚4mm的ct90焊接接头强度，焊接过程无水冷调控作用。测试工艺参数：测试范围为焊接接头一侧25mm范围，测点间距0.5mm，测试载荷200n。测试结果显示接头待测区域内无可见压痕，测试数据反映出在焊接热影响区内有软化现象。母材硬度测试结果为238hv200，软化区测试结果为186hv200。

对比例二：

按照实施例二的工艺参数进行了软化区热模拟试验，对母材及热模拟试样进行了显微硬度测试及强度测试，结果显示母材硬度为248hv200，强度为647mpa，软化区硬度为190hv200，强度为594mpa。

通过上述实施例可以看出，采用本发明的装置进行连续油管对接接头强度测试，可实现焊接接头硬度及强度的无损测量，同时，测试精度满足工程需要。