張 劍 牛愛夢 劉傳鎮(zhèn)

（1.勝利油田勝利自動(dòng)化開發(fā)有限責(zé)任公司，東營 257100；2.東營市誠諾機(jī)械有限責(zé)任公司，東營 257100）

隨著我國大多數(shù)油田企業(yè)都進(jìn)入了中后期開發(fā)階段，作為油水井生產(chǎn)的重要組成部分，油管的管理水平直接關(guān)系著油水井免修期長短和作業(yè)成本的高低[1]。油管缺乏必要的標(biāo)記、識(shí)別技術(shù)，難以區(qū)分油管的新舊，導(dǎo)致許多油井常常因?yàn)閭€(gè)別超期服役的舊油管斷脫造成生產(chǎn)事故。由于作業(yè)現(xiàn)場同一口井油管新舊混用，使用年限、疲勞程度和材質(zhì)各不相同[2]。在相同的井內(nèi)環(huán)境和受力作用下，往往使用年限長、疲勞程度高、材質(zhì)差的油管容易出現(xiàn)問題[3]，形成“壽命短板”。因此，油管全生命周期管理至關(guān)重要。油管全生命周期管理的前提是給每一根油管賦予標(biāo)識(shí)碼，為每一根油管建立“戶口”檔案，以便對油管從入庫、發(fā)放、入井、回收、修復(fù)直至報(bào)廢進(jìn)行全生命周期管理[4]?，F(xiàn)有的標(biāo)識(shí)碼在油田井下作業(yè)惡劣環(huán)境中應(yīng)用存在各種缺陷。本文將研究一種油管標(biāo)識(shí)碼方案可以在油田井下作業(yè)中使用，并配套設(shè)計(jì)相應(yīng)的刻碼設(shè)備和識(shí)別設(shè)備。

1 油管的標(biāo)識(shí)碼

1.1 油管標(biāo)識(shí)碼的設(shè)計(jì)原則

第一，不影響油管強(qiáng)度與質(zhì)量，制作簡單，容易清理和識(shí)別；第二，油管標(biāo)識(shí)碼附著在油管本體，抗震、抗磨、抗碰、抗腐以及抗遮覆；第三，包含信息量大，保證編碼位數(shù)能夠涵蓋足夠數(shù)量的油管。

1.2 油管標(biāo)識(shí)碼的設(shè)計(jì)方案

結(jié)合油管在油水井作業(yè)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了以下油管標(biāo)識(shí)碼方案，如圖1所示。

油管識(shí)別碼刻錄在距離接箍一端500 mm處，便于刻碼設(shè)備的刻碼操作。圖1中，從左往右分別是起始位回字定位標(biāo)識(shí)、26位數(shù)據(jù)位、結(jié)束位回字定位標(biāo)識(shí)。26位數(shù)字位代表26位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，每一位的寬度為2 mm。當(dāng)此位數(shù)據(jù)為1時(shí)，2 mm立銑刀走“Ⅰ”字銑削；當(dāng)此位數(shù)據(jù)為0時(shí)，2 mm銑刀不進(jìn)行銑削，銑削深度為0.3～0.5 mm。26位數(shù)據(jù)位從左往右，第1～3位代表油管生產(chǎn)廠家，第4～5位代表油管規(guī)格，第6位代表材質(zhì)，第7位代表油管類別，第8～10位代表油管使用的油田管理區(qū)，第11～26位為數(shù)據(jù)累加位。在第1～10位信息確定后，第11～26位數(shù)據(jù)自動(dòng)加1累加，這樣每一根油管都可以有唯一的標(biāo)識(shí)碼，最多可以產(chǎn)生6700余萬個(gè)不同標(biāo)識(shí)碼，足夠用于各油田新入庫油管的標(biāo)識(shí)。

2 刻碼裝置

2.1 刻碼裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)油管進(jìn)入刻碼傳輸線，刻碼裝置的讓位氣缸伸出，同時(shí)定位氣缸伸出，油管通過傳輸線經(jīng)導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)穿過工作臺(tái)組件預(yù)留口與定位氣缸擋盤接觸，同時(shí)定位氣缸電磁閥打到放氣狀態(tài)，油管通過定位氣缸減速到零，同時(shí)油管接箍到銑刀位置固定，讓位氣缸收回。夾持機(jī)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ和傳輸線上的油管舉升氣缸同時(shí)伸出將油管舉起，夾持機(jī)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ的上下夾具塊將油管夾緊。同時(shí)，行程開關(guān)檢測到油管被夾緊，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）發(fā)出脈沖信號(hào)控制X軸伺服電機(jī)，帶動(dòng)X軸直線模組滑臺(tái)水平移動(dòng)到銑刀距離油管接箍500 mm的位置。Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)Y軸直線模組滑臺(tái)移動(dòng)到銑刀位于油管軸向中心線上方。Z軸伺服電機(jī)切換成力矩模式帶動(dòng)銑刀往下，碰到油管后停止，此時(shí)完成油管標(biāo)識(shí)碼的刻碼起點(diǎn)定位。Z軸伺服電機(jī)帶動(dòng)銑刀往下走設(shè)定的刻碼深度，X軸伺服電機(jī)和Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)銑刀分別走相應(yīng)距離，完成起始位回字刻碼標(biāo)識(shí)。Z軸伺服電機(jī)將銑刀抬起，Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)銑刀到達(dá)26位數(shù)據(jù)位區(qū)域。此時(shí)，如果第一位數(shù)據(jù)為1，那么Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)銑刀沿Y軸負(fù)向走 16 mm再往正向走16 mm；如果第一位數(shù)據(jù)為0，那么Y軸伺服電機(jī)不動(dòng)作，X軸伺服電機(jī)帶動(dòng)銑刀沿X軸正向走2 mm進(jìn)入第二位數(shù)據(jù)區(qū)，第二位數(shù)據(jù)刻碼同第一位，往后依此類推直到第26位。當(dāng)數(shù)據(jù)位完成刻碼，重復(fù)起始位回字刻碼過程完成結(jié)束位回字刻碼。整個(gè)油管標(biāo)識(shí)碼刻碼結(jié)束，夾持機(jī)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ和傳輸線上的油管舉升氣缸收回，油管落下，傳輸機(jī)將油管傳出刻碼裝置。油管刻碼裝置三維結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.2 刻碼裝置的主要技術(shù)參數(shù)

刻碼裝置的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

2.3 刻碼裝置主要零部件設(shè)計(jì)計(jì)算

刻碼裝置主要受力部件為Z軸伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠上滑臺(tái)固定的主軸電機(jī)做銑削運(yùn)動(dòng)，其主要參數(shù)計(jì)算如下。

滾珠絲杠的軸向負(fù)載：

式中：F0為銑削所受軸向力，值為15.625×9.8 N；m為工作臺(tái)主軸電機(jī)的總質(zhì)量，約為15 kg；α為滾珠絲杠與水平面的夾角，這里滾珠絲杠垂直安裝，夾角為90°；μ為滾珠絲杠的摩擦系數(shù)，查手冊取0.05。將上述數(shù)值代入式（1），有F=300.125 N。

滾珠絲杠的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

式中：TL為滾珠絲杠負(fù)載轉(zhuǎn)矩；PB為滾珠絲杠導(dǎo)程間距，值為5 mm；μ0預(yù)緊帽摩擦系數(shù)，查手冊值為0.3；F0為滾珠絲杠預(yù)負(fù)載F/3，值為100 N。將上述數(shù)值代入式（2），有TL≈0.324 N·m。

伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：

式中：TM為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；i為減速比，因伺服電機(jī)與滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接，所以值為1；ηL為聯(lián)軸器機(jī)械效率，值取0.85；取安全系數(shù)為2。將上述數(shù)值代入式（3），有TM=0.381 N·m。2TM為0.762 N·m， 所以伺服電機(jī)輸出扭矩選擇0.762 N·m以上。

滾珠絲杠的慣性慣量和負(fù)載的慣性慣量為：

將相關(guān)數(shù)值代入式（4）和式（5），有JB=0.102× 10-4kg·m2和JM=0.095×10-4kg·m2。

聯(lián)軸器的慣性慣量查手冊，有JC=0.096×10-4kg·m2。

于是，總負(fù)載慣性慣量為：

式中：JB為滾珠絲杠的慣性慣量；JM為負(fù)載的慣性慣量；JC為聯(lián)軸器的慣性慣量；JL為總負(fù)載慣性慣量；ρ為絲杠材料密度，取值為7.9×103kg·m-3；L為絲杠行程，取值200 mm；P為一轉(zhuǎn)滾珠絲杠移動(dòng)的距離，取值為5 mm。

伺服電機(jī)的慣性慣量要大于3倍總負(fù)載慣性慣量，因此伺服電機(jī)的慣性慣量選擇0.879×10-4kg·m2以上。

3 識(shí)別裝置的設(shè)計(jì)

3.1 識(shí)別裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

給夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)活塞筒內(nèi)供氣，氣體在腔中推動(dòng)活塞筒運(yùn)動(dòng)，活塞筒帶動(dòng)卡盤卡爪收緊，夾持油管接箍。導(dǎo)向舉升機(jī)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ的三軸氣缸、夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)座上的頂升氣缸和傳輸線上的舉升氣缸同時(shí)伸出，將夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和油管舉起，油管頭部被扶正輪夾持。伺服電機(jī)接收PLC的脈沖信號(hào)從原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到指定位置，使識(shí)別激光感測頭的檢測范圍可以覆蓋油管標(biāo)識(shí)碼。步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)油管勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制識(shí)別激光感測頭通過柱面物鏡將激光擴(kuò)散為線激光后投射到油管表面形成漫反射，反射光通過感測頭接收后在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）上成像，再由控制器經(jīng)后臺(tái)算法形成3D圖像。將油管標(biāo)識(shí)碼的樣圖注冊到后臺(tái)控制器，新識(shí)別的油管識(shí)別碼3D圖像與樣圖對比，起始位回字定位標(biāo)識(shí)相似度超過70%可以確定起始位回字。起始回字定位后分別提取26位數(shù)據(jù)位區(qū)域的深度，深度值在0.1～0.5 mm范圍的數(shù)值輸出為1，深度值小于 0.1 mm的數(shù)值輸出為0。識(shí)別完將數(shù)據(jù)通過通信協(xié)議上傳上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，識(shí)別結(jié)束三軸氣缸、頂升氣缸和舉升氣缸同時(shí)落下，各氣缸復(fù)位，油管退出識(shí)別設(shè)備。油管識(shí)別裝置三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)剖面示意圖，如圖4所示。

3.2 識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在油管標(biāo)識(shí)碼上的研究

目前主流的識(shí)別技術(shù)采用2D機(jī)器視覺圖像傳感器。由于2D視覺測量物體的對比度，意味著它特別依賴于光照、顏色及灰度變化，測量精度易受變量照明條件的影響[5]。新刻油管標(biāo)識(shí)碼對比度明顯，2D機(jī)器視覺圖像傳感器可以準(zhǔn)確識(shí)別。但是，油管工業(yè)識(shí)別碼修井作業(yè)回收后，由于碼和油管本體顏色對比度低且受環(huán)境光照的影響，識(shí)別難度較新刻油管的識(shí)別難度要大。采用3D識(shí)別激光傳感器可直接測量油管標(biāo)識(shí)碼的刻深，不受油管顏色和環(huán)境光源的影響，相比2D機(jī)器視覺傳感器各數(shù)據(jù)碼位讀取準(zhǔn)確率更高。

4 結(jié)語

現(xiàn)場證明，本油管標(biāo)識(shí)碼安全可靠，以不影響油管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度質(zhì)量為前提，制作簡單、容易清理、容易識(shí)別，滿足油管在高溫、油污、磨損、震蕩環(huán)境下使用的要求。三軸立銑運(yùn)動(dòng)控制刻碼技術(shù)定位精準(zhǔn)，精度達(dá)到0.1 mm可以準(zhǔn)確完成油管標(biāo)識(shí)碼的刻錄，刻碼效率高，使用成本低。采用先進(jìn)的3D識(shí)別技術(shù)配套識(shí)別裝置可有效完成油管標(biāo)識(shí)碼立體圖像采集，根據(jù)刻碼深度判定數(shù)據(jù)位的有無，比2D識(shí)別技術(shù)準(zhǔn)確率更高。在油管編碼刻碼的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)油管的“一管一碼”管理，使每根油管有了唯一的身份識(shí)別碼，通過油管分級分類管理系統(tǒng)建立油管統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，解決油管精細(xì)化管理的難題，具有降本減費(fèi)、資源優(yōu)化、管理創(chuàng)新的重大意義。