（机械制造及其自动化专业论文）钻铤接头锥螺纹的修复方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在石油钻采和地质勘探等钻井任务中，随着井眼的加深，常常造成钻铤接头 螺纹牙型变形破坏的现象。钻铤接头锥螺纹在局部破坏后，可切去部分锥螺纹， 并沿着原来螺纹螺旋槽的轨迹，把变浅的螺纹沟槽加工到设计深度，完成内外锥 螺纹的重新配合，从而提高钻铤使用寿命，具有较高的经济价值。 本课题根据螺纹加工原理，得出了锥螺纹修复原理，并对端面切除量与螺纹 牙形的关系进行了分析计算。根据锥螺纹的特征，推导了钻铤和钻杆接头工件在 机床加工坐标系中的定位公式。 为获得螺旋线定位参数提出了四种寻位方案：精密测量件手工对刀参数获取、 接近传感器寻螺纹两齿中线、激光二维扫描获取轮廓信息以及基于图像处理技术 的端面特征提取。其中精密测量件手工对刀参数获取是根据现有测量工具进行改 造获得专门用于锥螺纹测量的精密测量工具；接近传感器寻螺纹两齿中线是一种 专门设计的半自动寻位装置；激光二维扫描获取轮廓信息是根据成熟激光二维扫 描仪原理获取工件信息完成修复参数的获取；基于图像处理技术的端面特征提取 是分析端面图像根据螺旋线起头点与周围金属在几何、纹理、灰度上的差别，确 定起头点在机床坐标系中的位置。通过对比分析，最终选择了基于图像处理技术 的端面特征提取定位的方法。 为获得端面参数，课题分析了螺纹工件沿垂直于轴向剖切后端面所出现的几 何特征，并针对实际加工的螺纹模型工件，采用指纹特征提取的算法，对螺纹端 面图像进行特征提取。最终获得工件的端面特征图像，并根据特征图像的坐标位 置，重新拟合外圆、计算半径和圆心位置，利用这些坐标参数完成端面图像矢量 化，从而获取了螺纹数控修复所需参数。 最后调用螺纹修复指令，并通过信号周向补偿来控制螺纹修复起刀时间，完 成修复工作。 关键词：石油钻铤；螺纹修复；数控加工；数字图像处理；m a t l a b 一 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 竺= = ! ! 竺! = = 竺! = = ! ! = = ! 竺= = = ! 竺= = = = = = = = = = = = = = 皇= = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t i n d r i l l i n gt a s k s s u c ha so i l d r i l l i n g ，g e o l o g i c a le x p l o r a t i o n ，a st h eh o l ed e e p e n s ， d e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fd r i l lc o l l a rj o i n to ft h r e a do f t e no c c u r f o rd r i l lc o l l a ri o i n tt a p e r e d t h r e a dc a m eu pl o c a lf a i l u r eo c c u r s ，c a nb ec u tt op a r to ft h em a l e ，a n dt r a c ka l o n gt h eo r i g i n a l t h r e a d ，p r o c e s s i n gt h el i g h t e rt h r e a dg r o o v et od e s i g nd e p t h ，i no r d e rt oc o m p l e t et h ei n t e r n a l a n de x t e r n a lt a p e rt h r e a dt o g e t h e ra g a i n t h i sc a ne n h a n c et i l es e r v i c el i f eo fd r i l l p i p e ，d r i l l c o l l a r , h a sah i g he c o n o m i cv a l u e t h i si s s u eu n d e rt h ep r i n c i p l eo ft h r e a dp r o c e s s ，o b t a i n e dt h er e m e d i a t i o no ft h et a p e r t h r e a d ，t 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e n e n df a c ea n df o r mo ft h r e a da n a l y z e da n dc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft a p e rt h r e a d s ，d e r i v a t i o nt h ef o r m u l at h a tt h ed r i l lp i p ej o i n t w o r k p i e c ep o s i t i o n i n gi nt h em a c h i n ec o o r d i n a t es y s t e m t oo b t a i nt h es p i r a lp o s i t i o n a la r g u m e n t sp u tf o r w a r df o u rl o c a t i n gs c h e m e ：p r e c i s i o n m e a s u r e m e n tt o o lt om a n u a l l yg e tt h et o o lp a r a m e t e r s ；p r o x i m i t ys e n s o rt of i n dt h ec e n t r a ll i n e o fa d j a c e n tt h r e a d s ，l a s e rt w o - d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gt oo b t a i np r o f i l ei n f o r m a t i o n ，f a c e f e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ef i r s ts c e n a r i oi st h a ta c c o r d i n gt o t h ee x i s t i n gm o d i f i c a t i o na c c e s st os p e c i a l i z e dm e a s u r e m e n tt o o l sf o rt a p e rt h r e a dm e a s u r i n g p r e c i s i o no fm e a s u r e m e n tt o o l s ；t h es e c o n ds c e n a r i oi sas p l e c i a l l yd e s i g n e ds e m i a u t o m a t i c l o c a t i n gd e v i c e ；t h et h i r ds c e n a r i oi st h a t a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo fa v a i l a b l e t w o d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n e rt og e tj o bi m f o r m a n t o nt oc o m p l e t et h er e p a i rp a r a m e t e r t h e f o u r t hp r o g r a m m ei st oa n a l y z et h ef a c ei m a g eb a s e do nt h eh e a do fh e l i xa r o u n dt h ep o i n t a n dd i f f e r e n c ei n g e o m e t r y , t e x t u r e ，g r a ym e t a l ，c a m eu pi nt h ep o s i t i o no ft h em a c h i n e c o o r d i n a t es y s t e m a n d f i n a l l yc h o s ef a c ef e a t u r e e x t r a c t i o nb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t oo b t a i nt h ee n df a c ep a r a m e t e r , t h et o p i ca n a l y s i so t 。t h eg e o m e t r yf e a t u r e st h a tt h e t h r e a dw o r k p i e c ea l o n gap e r p e n d i c u l a rt ot h ea x i a l s e c t i o n i n g a n da i m e da tt h ea c t u a l p r o c e s s i n gt h r e a dm o d e lw o r k p i e c e ，u s eo ff i n g e r p r i n tf e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h m s ，t h r e a de n d f a c ei m a g ef e a t u r ew a sp i c ku p e v e n t u a l l yc h a r a c t e r i s t i c so fe n ds u r f a c eo ft h ew o r k p i e c e i m a g ew a se x t a c t e d ，a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m a g ec o o r d i n a t e s ，r e f i t t i n g o u t e rc i r c l e ，c a l c u l a t er a d i u sa n dc e n t r el o c a t i o n ，u s i n gt h ec o o r d i n a t ep a r a m e t e r st oc o m p l e t e e n di m a g ev e c t o r i z a t i o n ，t h u sg a i n i n ga nn u m e r i c a lc o n t r o l l e dt h r e a dr e p a i r e dp a r a m e t e r s l a s ti n v o k e dt h r e a dr e p a i ri n s t r u c t i o n sa n db yt h es i g n a lo fc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n c o m p e n s a t i o nt oc o n t r o lt h e s t a r tc u t t i n gt i m et oc o m p l e t et h e t a p e rt h r e a dc n cr e p a i rw o r k k e yw o r d s ：o i ld r i l lc o l l a r ；t h r e a dr e p a i r ；n u m e r a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ；d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g ；m a t l a b i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 钻铤接头螺纹图1 图1 ：2 光电编码器零位信号采集电路4 图1 3 零件的常见修复工艺1 l 图2 1 车削外圆表面时传动原理图1 4 图2 2 车削螺纹时传动原理图1 5 图2 3 车削锥螺纹的传动原理图1 6 图2 4 对刀点与换刀点1 9 图2 5 相对位置检测对刀2 0 图2 6 自动对刀2 0 图2 7 数控车床进给系统2 1 图2 8 增量式光电编码器工作原理图2 2 图2 9 脉冲编码器的输出波形2 2 图2 1 0 钻铤接头螺纹牙型图2 3 图2 1 1 钻铤内、外螺纹破坏形貌2 4 图2 1 2 螺纹副承载示意图2 4 图2 1 3 理想钻铤接头锥螺纹模型2 5 图2 1 4 修复锥螺纹工件示意图2 6 图3 1 工件寻位加工示意图3 0 图3 2 精密测量件手工对刀3 1 图3 3 螺纹修复寻螺纹中线专用对刀仪器3 2 图3 4 接近传感器寻螺纹中线法流程图3 2 图3 5 激光传感器获取轮廓信息工作示意图3 4 图3 6 锥螺纹的剖面特征3 5 图4 1 剖切后锥螺纹端面的起头点3 6 图4 2 端面特征参数获取流程3 7 图4 3 螺纹修复提取特征图3 7 图4 4 数据采集系统图3 8 图4 5 背景减去流程图4 1 图4 6 背景减去运算结果4 1 图4 7 滤波运算结果4 3 图5 1 像素的邻域4 4 图5 2 方向滤波算法的8 个方向4 5 图5 39 x9 邻域窗口4 6 图5 4 分叉点灰度像素图4 6 i i i 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 图5 5 图像特征边缘检测结果4 9 图5 6 螺纹端面剖图像矢量化流程图5 0 图5 7 坐标系的转换5 0 图5 8 图像坐标系中参数获得5 4 图5 9 图像矢量化最终图5 4 图5 1 0 螺纹修复工艺流程5 5 i v ：=尘璧!兰篁篁兰二!=一一=一 附表索引 表1 1 失效形式的分类- 8 表1 2 磨损的基本类型1 0 表3 1 近距离传感器按工作原理分类3 3 表3 2 近距离传感器按配置分类3 3 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的提出及意义 1 1 1 研究课题的提出 为完成钻探和开采任务，石油钻采、地质勘探、海底开发等行业都是通过内 外锥螺纹将一根一根钻杆连接起来并在下面连接钻铤不断加长钻柱。在钻井的 过程中，随着井眼的加深，钻铤连接处应力问题越加严重，常常造成钻杆、钻铤 接头螺纹牙型变形、磨损和局部损坏，从而使整根钻铤报废。钻杆、钻铤接头锥 螺纹( 图1 1 ) 在螺纹局部破坏后，除钳工、焊接等其他常用修复方法外，可切去部 分锥螺纹，并沿着原来螺旋槽的轨迹，把变浅的螺纹沟槽加工到设计深度，从而 完成内外锥螺纹的重新配合。 图1 1 钻铤接头螺纹图 2 0 1 0 年原油产量稳中有增，到2 0 1 5 年达到2 1 2 2 亿吨；天然煤产量年均增 长1 5 6 ，到2 0 1 5 年达到2 0 0 0 亿立方米凹1 。在钻井过程中，钻杆上面连着方钻 杆，下面连着钻铤，长度一般为6 1 2 米。单根钻杆之间通过管接头的特殊螺纹连 接。钻杆的主要作用是传递扭矩，使钻头向下钻进，加深井眼。随着钻井的不断 加深，钻杆不断加长形成钻柱，同时在钻杆的内孔通入高压泥浆以冲洗钻头所粉 碎的岩石屑，把岩石屑排出井口。在油井钻探过程中，钻杆的工作条件是最恶劣 的。它除了承受扭矩之外，还承受由管柱自身重量产生的拉应力，这种应力越往 上越大，而且在方钻杆与钻杆连接处应力最大。另外，钻杆还受到管子和井壁的 摩擦及内孔受到的高压泥浆的冲刷和腐蚀的作用。近年来随着油田勘探的发展， 我国东部地区的勘探己向深层、滩海、浅海发展，西部的塔里木、吐哈等油田因 大量出现深井、超深井和高压气井( 一般井深在3 5 0 0 米以上，远大于东部的平均 2 0 0 0 米的水平) ，地质情况以及腐蚀介质情况更加复杂聆1 。主要承受拉、压、弯、 扭、振动载荷，旋转离心力和起下钻附加动载的作用，工作条件十分恶劣。据石 油管材研究中心近年来的分析，钻杆接头螺纹疲劳失效约占8 0 h 1 ，钻井工作的 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 频繁和复杂必然导致连接螺纹的损坏。近年来，塔里木油田钻井数量不断增加， 对钻杆的需求量也不断增加。2 0 1 0 年度塔里木油田共有各种规格的钻杆5 99 0 0 根，能够保障6 0 多口超深井同时作业。其中，1 2 7 o m m 钻杆2 20 0 0 根，( d 1 3 9 7 m m 钻杆60 0 0 根，( i ) 8 8 9m m 钻杆2 00 0 0 根。平均每年共检测分级钻杆 1 4 4 万根次，检测出报废钻杆26 3 2 根阳1 。这些钻杆因缺少必要的修复而直接报废 造成了巨大的浪费。 为了解决这一问题，结合钳工、焊接等修复工艺，针对钻杆锥螺纹特点，运 用数控技术对螺纹完成修复。在工件不定位的情况下进行数控加工，实现石油钻 杆、钻铤接头螺纹的数控修复加工，即工件在加工前不在车床上定位，只需要随 机地固定其状态，利用一系列寻位对刀技术，进而控制车刀能在螺纹螺旋线的起 点切入进行切削，完成对工件的数控加工，这就引出本课题的重要内容螺纹加工 对刀问题。本课题根据机械零件修复技术、图像处理技术以及数控机床加工技术， 针对锥螺纹修复方面技术的短缺而提出，最终成功将数控技术用于新的加工方 向，解决了长期困扰石油机械加工行业的螺纹修复难题，实现钻杆、钻铤锥螺纹 修复的数控化，促进了数控：机床在钻采行业的发展。 1 1 2 课题研究的意义 ( 1 ) 有效利用钻铤、钻杆的长度，在最大程度减少钻铤长度损耗的基础上完成 外锥管螺纹的修复，使其可再次利用，提高钻探作业效率，降低钻铤成本。 ( 2 ) 将多种零件修复技术应用到螺纹修复的解决，形成完善的螺纹修复工艺， 弥补机械或人工修复的局限。， ( 3 ) 通过对钻杆锥螺纹螺旋线的加工定位，提出一种新的螺旋线的追踪方法， 可以对其他螺旋件的精加工、修复提供依据。 ( 4 ) 通过数控车床的简单改造，实现了数控车床的特殊功能，为数控技术在石 油机械零件加工、修复行业中的推广做出贡献，将在一定程度上促进我国石油钻 采事业的发展。 注：本课题为叙述讨论方便，以“钻铤”代替“钻铤和钻杆”叙述。钻铤和 钻杆都使用锥螺纹接头，都存在着同样的修复问题，且修复方法可通用。现有文 献多采用“钻杆 一词，但本课题认为钻铤因其工作环境更为复杂、经济价值更 高，其修复问题也更为重要，工程实际中也主要是修复钻铤。 2 硕士学位论文 1 2 国内外钻铤接头螺纹修复现状综述 1 2 1 现有钻铤螺纹机械修复方法 修复螺纹时必须寻找出原来螺纹螺旋槽的轨迹，把变浅的螺纹沟槽加工到设 计深度，这样螺纹修复的问题又演变出寻找加工起始位置的对刀问题。 我国各油田管子站或机械厂都承担着大量的钻铤锥螺纹的修复加工任务，以 便石油钻铤多次重复使用。目前锥螺纹的加工及修复所采用的机床大致有四种： 一是普通车床；二是经过改造的普通车床，如加装偏心轮摇板机构等，使车刀在 机械控制下自动走出锥面母线轨迹；三是专用管螺纹加工机床，此种机床可以加 工如石油钻铤一类的大尺寸工件；四是数控车床，加工石油钻杆、钻铤需专用数 控车床。机床的形式不同采用的对刀方式各有不同，普通机床以工具辅助的人工 对刀方式为主；数控机床又分为接触式对刀和非接触式对刀。且目前的修复方案 多是直接把钻铤的螺纹部分全部切除，然后重新加工螺纹。 普通车床和改造后的普通车床修复方法，以机床操作者经验判断为主，人类 操作者在加工过程中比自动化加工设备更多地获取了被加工零件的实际状态信 息，并充分利用了这些信息。换句话说，人在加工过程中利用感官和理性分析主 动找寻到了工件的实际位置与姿态，并根据零件的实际状态不断调整自己的操 作动作。 文献6 提出了一种钻杆、钻铤锥螺纹加工专用机床。作者的设计思想是被加 工工件固定不动，由切削头完成切削加工的所需运动，采用两把车刀和两把螺纹 梳刀，在轴端面圆周上互成9 0 度角分布：车刀与车刀、梳刀与梳刀两两相对； 在切削头内设计了一套楔块机构，使刀具在旋转的同时，轴向与径向同时运动， 合成为螺旋加锥度的轨迹，车刀的轴向位置比梳刀超前5 m m l 6 】。此机床方案设计 可用于加工或修复钻铤锥螺纹，过程中工件始终固定不动定心准确，避免了大长 径比工件旋转带来的弊端。 某些数控系统内置有螺纹修复或继续加工功能。文献7 介绍了f a g o r 系统 螺纹修复功能在管螺纹专机上的应用。螺纹修复功能是f a g o r 系统的一项功能， 指在原有螺纹基础上的继续加工，如重新装夹和螺纹修复加工。在数控系统功能 下将螺纹加工所需的基本结构显示在屏幕上进行加工操作。采用人工对刀的方法 将刀对准已有工件螺纹的根部或标记参考点的方式，系统根据对刀数据主轴自动 回参考点，在此对刀机基础上完成加工【n 。文献8 介绍了n u m l 0 4 0 t 数控系统的 “螺纹继续切削”功能。其思路是采用手工对刀的方式，在任意位置得到原有螺 纹某点处的位置及主轴对应的转角，以此作为螺纹切削功能一g 3 3 指令中的两个 参数，系统根据这两个参数自动计算出起刀点对应的主轴转角。加工时，当主轴 转至该转角时，发出指令信号，使伺服轴进入随动状态。显然，“螺纹切削 功 能与“螺纹继续切削”功能的主要区别就是两个功能的起刀点对应的主轴转角不 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 同【引。 文献9 采用手工外部标记对刀。一种方法的思路是根据数控机床加工螺纹原 理，当圆光栅转动时，其上有一条零位狭缝转到与指示光栅上的零位狭缝对齐时 就会发出零位信号。其采用如图1 2 的外部电路，把输出零位信号的接线端子引 向外部，接上发光指示灯，就可知道此时零位信号在此次加工中的位置。对刀时 先转动主轴带动光电编码器同步转动，当指示灯亮时即停止转动，此时的位置即 为零位信号位置，也就是对刀基准，即可完成准确对刀，再通过移动刀架、试切 完成加工坐标系定义【9 1 。 图1 2 光电编码器零位信号采集电路 非接触式对刀加工方法。文献1 0 提出了一种基于线阵c c d 的数控车床螺纹 加工自动对刀的方法，其思路是以线阵c c d 摄像头接收螺纹投影并采集到计算 机内部，通过图像处理技术和自行开发的软件对螺纹类零件在车床坐标系的位置 及需求的各项几何尺寸进行测量和分析。然后根据坐标系之间的逻辑关系，通过 调用运动控制卡的控制函数，生成数控加工程序，辅以零位校正系统，实现螺纹 加工自动对刀，最终修复损坏螺纹【l0 1 。文献11 、1 2 提出一种自由曲面轮廓零件 的寻位加工的方法也可用于螺纹的修复加工。其思路是采用专门的视觉系统、触 觉系统、信息处理系统、控制驱动系统完成工件的“寻位一一加工”过程。首先 利用通用紧固夹持件，将工件固定于机床工作台上；然后由视觉系统以无接触方 式快速获取工件宏观信息并以此引导触觉系统精确获取工件表面上关键点的坐 标位置；进而通过信息处理系统中的信息处理软件实时求解出工件的实际状态； 最后由控制驱动系统根据零件几何工艺信息和工件实际状态信息实时生成加工 控制轨迹，对毛坯或半成品进行位姿自适应加工得到合格的零件成品 1 1 - 1 2 】。 文献1 3 提出了一种修复螺纹的专用工具，其思路是先在待修复螺纹根部切 除特定长度，然后制作一个与之相配套的螺母，接着通过外力将螺柱拧进螺母， 通过切削力在剩余螺柱上切出螺纹【1 3 】；文献1 4 提出了一个类似于锥螺纹加工专 用机床的设备。该机床采用专门设计机构装夹后，在此基础上加入简单数控系统， 使得可以不用g 代码的情况下完成自动加工【1 4 1 。 1 2 2 现有修复方案的总体评价 根据以上所述国内外螺纹加工、修复现状可以看出：宏观方面，研究者已经 对问题的所在有了深刻认识，“螺纹继续切削”的问题在螺纹精加工、工艺后加 4 硕士学位论文 工、修复加工都曾经出现；微观方面，已有修复方法中，普通机床螺纹修复靠操 作者个人经验对刀加工，加工效率低；使用管螺纹专用加工机床、专用工具修复 螺纹的可实用性还需论证：数控车床螺纹加工，工作快、效率高，但自动对刀问 题还需更好的解决；采用一套自由曲面轮廓零件的寻位加工的方法，加工修复方 案精确但系统过于复杂。且目前方案多采用直接把接头螺纹部分全部切除的方 法，对材料浪费较多，并不是真正意义上的修复。因此有必要提出一套钻铤接头 螺纹修复系统，该系统可有针对性的将寻位加工技术、机器视觉技术整合到数控 车床螺纹加工技术之中，从而更好的完成螺纹修复。 1 3 机械零件维修前的准备工作 机械设备在维修前应进行一些准备工作。它包括：技术准备、组织准备、拆 卸、清洗、检验等。这些工作必须按机械设备已有结构特点，技术特征要求、需 要修复或更换零件的情况，以及本单位的具体条件、依照相关的计划、方法和步 骤，选用合适的工具及设备进行1 5 1 。 1 3 1 技术准备 技术准备主要是为维修提供技术依据。例如：准备现有的或需要编制的机械 设备图册和备件图册；确定维修工作类别和年度维修计划；整理机械设备在使用 过程中的故障及其处理记录，调查维修前机械设备的技术状况；明确维修内容和 方案：提出维修后要保证的各项技术性能要求；提供必备的有关技术文件等。 在图册准备中应该注意：有些机械设备由相关部门出版或编制的现成图册可 直接选用，而没有现成图册的则需要由自己进行编制。仪器图册内容应包括：主 要技术数据、原理图、系统图、总图、重要部件装配图、备件或易损件图、安装 地基图、标准件和外购件目录、重要零件的毛坯图。 在确定维修工作类别时要按维修工作量的大小、内容和要求，明确和划分大 修、中修、小修、项修以及计划外维修等，像钻铤的维修就必须提前判断钻铤接 头螺纹的破坏程度。 1 3 2 组织准备 维修工作的组织形式和方法是否恰当，会直接影响维修质量、生产效率和费 用成本。因此必须根据需要，结合本单位的维修规模、机械设备情况、技术水平、 承修机械设备的类型以及材料供应等具体条件，全面考虑、分析对比，采用更合 理更适合的组织形式和方法。 1 机械设备维修的组织形式 ( 1 ) 集中维修 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 这种形式多用于小单位。由维修相关部门统一管理，设备部门及机修车间对 机械设备从拆卸、维修到装牌集中组织进行。它的优点是：维修理论可集中使用， 有利于采用先进的维修工艺和技术，便于备件供应和制造，统筹安排使用资金费 用。其缺点是各部件或总成不可能同时进行维修，因此停修时间较长，生产任：务 和维修工作容易出现矛盾。 ( 2 ) 分散维修 它多用于车间分散、机械设备数量较多的大型单位。日常维护和修理均由车 间负责；机械车间主要负责精密、大型、稀有机械设备的大修。这种维修形式的 优点是，各部门或总成能同时进行维修，缩短了停修时间，有利于充分调动和发 挥生产车间的积极性、主动性，维修工具的工作相对固定，质量容易保证，设备 利用率较高，可组织流水作业。 ( 3 ) 混合维修 它适合于中型单位，除大修由机修车间负责外。其余维修工作均由生产车间 负责。该形式既有集中又有分散。兼备两种组织形式的优点，一方面可加强生产 车间对机械设备维修保养的责任感；另外一方面集中进行大修有利于提高质量， 但是，有些维修工作分工会出现困难，使用和维修不容易协调，占有的维修设备 和人员较多。 2 设备的维修方法 ( 1 ) 单机维修 一台机械设备除个别专业维修外，其余工作全部由一组工人在一个工作地点 上完成。这种方法是将所有设备拆下，进行清洗、检验分类、更换不可修的零件， 修复需要修的零件，等修好以后仍复装在该机械设备上，直至全部装配成整机为 止。采用这方法，由于各零部件、总成的损坏程度和维修工作量不平衡，所需时 间也不一致，因而常影响维修工作的连续性，停修时间较长。但是，生产组织简 单，各组之间一般不需要协调配合。单机维修适用于修理规模不大的厂以及中小 修的情况下。 ( 2 ) 部件维修 一台机械设备按部件或总成分别由许多小组在不同的工作地点同时进行维 修，每个小组完成一部分维修工作。这种方法由于机械设备个部分可以分别同时 维修，缩短了停修的时间。同时由于每组工人只从事一部分维修，专业化程度较 高，易掌握，容易保证维修质量，设备利用率也高，便于组织流水生产。但要求 各工作部门、各小组之间能较好配合。适用于批量较大的大修厂。 ( 3 ) 更换零部件及总成 对于有缺陷的零部件，甚至总成采用更换新件的方法进行维修，并将整机装 6 硕士学位论文 配出厂，而将换下的零部件和总成另行安排维修，待修竣并检验合格后，再补充 到周转零部件和总成的储备量中，以备下次换用。采用这种方法能加快维修进度， 缩短停修时间，提高维修生产率，有利于机械设备的合理使用。但这种方法必须 在同类机械设备较多情况下才易实行，必须有一定的零部件和总成的储备量。这 种方法适用于具备一定数量的周转总成、维修量大、承修机械设备类型较单一的 单位【15 1 。 1 3 3 清洗 在维修过程中搞好清洗是做好维修工作的重要一环。清洗方法和清洗质量是 对鉴定零件的准确性、维修质量、维修成本和使用寿命等均产生重要影响，清洗 包括：消除油污、水垢、水锈层和油漆层等，钻铤零件的清洗也有利于后期在机 床上的装夹定位。 根据零件的材质、精密程度、污物性质和各工作工序的清洁程度的要求不同， 必须采用不同的消除方法、选择适宜的设备，工具、工艺和清洗介质，以便获得 良好的清洗效果。 拆卸前的清洗主要是指拆卸前的外部清理，其外部清洗的目的是消除机械设 备外部积存的大量尘土、油污、泥沙等脏物，以便于拆卸和避免尘土、油污等卷 入管子维修站内。外部清洗一般采用自来水清洗，即用自来水直接清洗油污部位， 用高压水冲洗，如：1 1 0 m p a 压力的高压水进行冲洗，对于密度较大的污物， 可加入适量的化学清洗剂提高喷射压力和水的温度。 常见的外部清洗设备有： ( 1 ) 单枪射流清洗法，它是高压连续喷射清洁水； ( 2 ) 多喷嘴射流技术。有门框移动式和固定式两种，喷嘴安装位置和数量，因 设备不同而异。 1 4 机械零件的修复 1 4 1 零件失效的种类 机械零件在使用过程中，由于设计、材料、工艺及装配等方面的原因，使其 在规定的时间内，无法继续工作的现象称为失效。勘探行业的工作环境复杂，工 件的失效情况比较严重，失效的主要表现为变形、断裂、损伤( 磨损、腐蚀和气蚀 等形式，见表1 1 所示) 1 变形 机械设备在工作过程中，由于受力的作用而使零件的尺寸或形状发生改变的 现象称变形。变形分弹性变形和塑性变形两种。弹性变形是指外力去除后能完成 恢复的那一部分变形。塑性变形是指外力去除后不能恢复的那部分永久变形。 7 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 多年的维修实践证明，虽然将磨损的零件进行修复，恢复了原来的尺寸、形 状和配合性质，但是装配后仍达不到预期的效果。出现这种情况通常是由于零件 变形，特别是基础零件变形，不同零部件之间的相互位置精度遭到破坏，影响了 各组成零件之间的相互关系。通常，基础零件形状和结构比较复杂变形的测量和 修复目前还没有简单易行的好方法，再加上变形对机械设备的技术状态和寿命的 影响又不容易直接表现出来，至今变形问题并没有引起维修工作者的足够重视。 在机械设各向高参数化迅速发展的今天，变形问题将愈来愈突出，它已经成为维 修质量低、大修周期短的个重要原因。我们应当进一步研究变形的机理，了解 变形的规律和危害，掌握产生变形的原因，以便采取措施防止或减少变形。 表1 1 失效形式的分类 失效类型失效形式失效原因举例 1 扭曲花键、机架 2 拉长紧固件 3 胀大超限 在一定载荷条件下发生过量变形， 变形使零件失去应有的功能而不能正 箱体 4 高温下变形 常工作 动力机械 5 弹性元件 永久变形 弹簧 1 一次加载载荷或应力强度超过材料的承载 断裂 能力 拉伸、冲击 2 环境介质引起环境介质、应力共同作用引起的低应力腐蚀、氢脆、腐 的断裂应力破断蚀疲劳 断裂 3 低周应变 压力容器 疲劳断裂 周期交变作用引起的低应力破坏 4 高周疲劳 轴、螺栓、齿轮 断裂 两物体相互接触，表面在接触应力压力容器 1 磨损 作用下有相对运动，造成材料流失 轴、螺栓、齿轮 2 腐蚀 有害环境气氛的化学及物理化学 齿轮、轴、轴承 损伤作用 与燃气、冷却水、大 气泡形成的破坏的反复作用，使表气接触的零件 3 气蚀 面材料脱落气缸套、水泵、液压 泵、水轮机叶片 机械设备由于工作条件恶劣，经常满载或超载工作，一些零件产生变形是常 见的，如：螺纹牙型超载、起重运输机的机架、机床的床身、汽车和拖拉机的底 盘等。有些零件因形状简单，变形产生的危害比较直观，变形的检查和矫正也比 较容易，曲轴和连杆是最典型的例子。但是，像气缸、变速箱体、机架、底盘、 床身等形状复杂、相互位置精度高、测量检查及矫正均比较困难的基础件，他们 的变形将使其他零件加速磨损，甚至断裂，还有可能导致整个钻铤被破坏，极大 硕士学位论文 的降低使用寿命，所以变形的危害是十分严重的。 变形是不可避免的，我们只能根据它的规律，从上述几个方面的原因采取相 应的对策来减少变形。特别是在机械设备大修时，不能只检查配合面的磨损情况， 对于相互位置精度也必须认真检查，以便维修。可在以下工序中减轻变形的影响： ( 1 ) 设计 设计时不仅要考虑零件的强度，还要重视零件的刚度和制造、装配、使用、 拆卸、修理等问题。正确选用材料，注意工艺性能，如铸造的流动性、收缩性； 短暂的可锻性、冷锻性；焊接的冷裂、热裂倾向；机加工的可切削性；热处理的 淬火的淬透性等。要合理布置零件，选择适合的结构尺寸，如：避免尖角、棱角 改为圆角、厚薄悬殊的部分可开工艺孔或加厚太薄的地方、安排好空洞位置、把 盲孔改为通孔等，形状复杂的零件在可能条件下采用组合结构、铸造结构，改善 受力状况，在设计中注意应用新技术、新工艺和新材料，减少制造时间内应力和 变形。 ( 2 ) 力n i 在加工中要采取一系列工艺措施来防止和减少变形，这一点在石油钻铤、钻 铤的加工中尤为重要。对毛坯要进行时效以消除其残余内应力。可以将产生出来 的毛坯在露天存放1 2 年。利用内应力在1 2 2 0 个月逐渐消失的特点进行自然时 效，还可利用振动的作用来消除内应力。复杂零件和精密零件在加工后仍要进行 人工时效，高精度零件在精加工过程中要继续安排人工时效。在制定零件的加工 工艺规程中，均要在工作。工步安排上，工艺装备和操作上采取减少变形的工艺 措施，例如：粗精加工分开的原则，在粗精加工中间留出一段存放时间，利于消 除内应力。 ( 3 ) 修理。 在修理过程中，不仅要满足恢复零件的尺寸、配合精度、表面质量等，还要 检查和修复主要零件的形状及位置误差；制定出与变形有关的标准和修理规范， 设计简单可靠、好用的专用量具加工夹具；大力推广三项技术，特别是新的修复 工艺，如刷镀、粘结等，用来代替传统的焊接，尽量减少零件在修理中产生的应 力和变形。 ( 4 ) 使用。 加强生产技术管理，制定并严格执行操作规程，不超负荷运行，避免局部超 载或过热，加强机械设备的检查和维护。 2 断裂 所谓断裂是物体在机械力、热、磁、声响、腐蚀等单独作用或联合作用下， 使其本身连续遭到破坏，从而发生局部开裂或分成几个部分的现象。它是一种复 杂行为，在不同的力学、物理学和化学环境下会有不同的断裂形式。例如：机械 零件在循环应力作用下会发生疲劳断裂，在高温持久应力作用下出现蠕变断裂， 在腐蚀环境下产生应力腐蚀或腐蚀疲劳。断裂是零件失效的重要原因之一，虽然 9 钻铤接头锥螺纹的修复方法研究 与磨损、变形相比占失效的百分比要小一些，但随着机械设备日益向着大功率， 高转速的方向发展，断裂失效的几率有所提高，尤其是断裂几乎会造成重大事故， 产生严重的后果，具有较大的危险性。因此，研究断裂成了日益紧迫的课题。 按零件断裂后的自然表面即端口的宏观形态特征分类可把断裂分为韧性断 裂和脆性断裂。几乎所有的零件由于各种原因均有宏观或微观裂纹，只是裂纹的 大小、性质不同而已，有些必须立即处理，有些裂纹的零件不一定立即断裂，在 一定条件下，裂纹将不会发展，有裂纹的零件也可不断。但是，断裂是由裂纹发 展而来的，断裂事故后果严重。防止断裂的方法主要有： ( 1 ) 减少应力集中。这点是在零件加工、修复过程中必须考虑的问题。通过断 口分析可知，绝大部分疲劳断裂都是起源于应力集中严重的部位，因此减少局部 应力集中，是减轻断裂影响的最行之有效的措施之一。 ( 2 ) 减少残余应力影响。各种加工和处理工艺过程，如拉伸、锻压、拉直、弯 曲、冷压、机加工、焊接、热处理等均能引起残余应力，这些应力是机加工或热 处理时的塑性变形。 ( 3 ) 控制载荷防止超载。载荷对断裂有直接影响，为减轻或防止断裂，还应十 分注意零件所受载荷的大小，载荷的超载程度，通过对断口特征的分析可估算受 载情况和断裂情况。 3 磨损 磨损是物体在摩擦中互相作用的结果，钻探过程就是一个磨损的过程。零件 的工作表面在摩擦时会产生磨损，在磨损过程中，零件不仅改变外形和尺寸，从 摩擦表面上分离出材料颗粒或在表面上产生残留变形，还会发生各种物理、化学 和机械的现象。磨损的基本类型、内容、特点和举例见表1 2 所示。 表1 2 磨损的基本类型 类型内容特点举例 粘着 摩擦副作用相对运动，由于固相焊 接触点粘着剪切破 缸套与活塞环 合，接触点表面的材料由一个表面轴瓦与轴、滑动导轨 磨损坏 转移到另一个表面 副 磨粒 在摩擦过程中，因硬的颗粒或凸出 磨粒作用于材料表 球磨机衬板与钢球、 物刮擦、微切削摩擦表回向引起材农业和矿山机械零 磨损面而破坏 料脱落的现象件 接触面作滚动或滚滑复合摩擦，因 表层或次表层受接 疲劳周期性载荷作用，使表面产生变形 触应力反复作用而 滚动轴承、齿轮副、 磨损和应力，致材料裂纹和分离出微片凸轮副、钢轨与轮毂 或颗粒的磨损 疲劳破坏 腐蚀 在摩擦过程中，金属同时与周围介有化学反应或电化曲轴轴颈氧化磨损、 质发生化学或电化学反应，产生材学反应的表面腐蚀化工设备中的零件 磨损 料磨损的现象破坏表面 4 腐蚀 腐蚀是金属受到周围介质的作用而引起损伤的现象，腐蚀损伤总是从金属表 1 0 硕士学位论文 面开始，然后减慢往里深入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、 斑点、溃疡等破坏区域，破坏的金属变为氧化物或氢化物，形成腐蚀产物并部分 附着在表面上，铁锈就是最明显的例子。当零件与液体接触并产生相对运动，接 触处的局部压力低于液体蒸发压力时，就形成了腐蚀的一种情况一一气蚀。 钻探、冶金、矿山、化工等机械设备处于高温、介质等恶劣条件下工作，疲 劳腐蚀的现象容易发生，其结果会影响产品性能，缩短使用寿命。腐蚀的机理是 化学反应或电化学反应，金属腐蚀安全机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。 化学腐蚀是金属与外部电介质作用直接产生化学反应的结果，在化学腐蚀过程中 不产生电流，外部电介质多数为非电解质物质，如干燥空气、高温气体、汽油润 滑油等，它们与金属接触进行化学反应形成表面膜，在不断脱落又不断生成的过 程中使零件腐蚀。化学腐蚀又可分为两类：气体腐蚀和在非电解质溶液中的腐蚀。 电化学腐蚀是金属与电解质物质接触时间产生的腐蚀。它与化学腐蚀不同之处在 于腐蚀过程中有电流产生，按照所接触环境的不同，可把电化学腐蚀分为：大气 腐蚀、土壤腐蚀、在电解质溶液中的腐蚀和在熔碱盐中的腐蚀等。 以上两种腐蚀，电化学腐蚀比化学腐蚀强烈得多，金属腐蚀造成的损失大多 由电化学腐蚀引起【l 6 | 。 1 4 2 零件修复技术常见工艺 机械加工修复工艺有喷涂法、粘结法、焊接法、电镀法、焰敷法、塑性变形 法、机加工修理法如图1 3 。无论选择哪种方法都要以实际情况而定，采用多种 方案相结合16 1 。 匮丽 二二二 二 清洗 喷 涂 法 粘 修 法 焊 修 法 电 镀 法 焰 敷 法 塑 性 变 形 机加 工修 理法 囊1 熏1i 舞1 鬈i1 塞