Разработка и исследование модели индикаторов веса и её метрологического обеспечения для применения в отраслях нефтегазовой промышленности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, кандидат технических наук Теплых, Александр Николаевич

• Теплых, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Теплых, Александр Николаевич

Введение.

1 Современное состояние методов и средств измерения, воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы и их метрологических характеристик.

1.1 Анализ существующих методов и средств измерения силы.

1.2 Анализ существующих методов и средств воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы и их метрологических характеристик.;.

1.3 Анализ индикаторов веса, используемых для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности.

1.4 Постановка задачи исследования .:.;.:.;.

2 Современное состояние метрологического обеспечения индикаторов веса.

2.1 Оценка основных погрешностей измерений при использовании в комплексе средств измеренийхилы и длины.:.

2.1.1 Анализ основных источников погрешностей измерений механических величин.

2.1.2 Погрешности; вызванные влиянием внешних,условий. 322.1.3 Выявление дополнительных погрешностей измерений при однократном и циклическом нагружении.

2.2 Устройство и технологическая схема работьь силоизмерительных машишразличных модификаций.

3 Разработка и исследование модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий; натяжения; стальных канатов;бесконтактными методами; на основе совместного применения'средств измерений силы и длины.

3.1 Разработка и исследование модели индикаторов веса.

3:1.1 Оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса.

3.1.2 Разработка методов определения-метро логических характеристик чувствительных элементов,динамометров цифровымнивелиром.

3.1.3 Исследование влияния вибрации на точность измерений цифровыми нивелирами.

3.2 Разработка автоматизированной системы определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса.

3.3 Разработка высокоточного метода аттестации индикаторов веса лазерным интерферометром.

3.3.1 Разработка метода калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы

3.4 Практическая реализация разработанных методов определения метрологических характеристик чувствительных элементов динамометров, основанных на использовании цифрового нивелира.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование модели индикаторов веса и её метрологического обеспечения для применения в отраслях нефтегазовой промышленности»

Актуальность темы исследований. В настоящее время в отраслях нефтегазовой промышленности все работы по подземному и капитальному ремонту сопровождаются спуском в скважину и подъемом из нее труб, штанг и различных инструментов. Для этого над устьем скважины устанавливается подъемное сооружение - вышка, мачта с оборудованием для спускоподъемных операций. Для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при проведении спускоподъемных операций были разработаны приборы, так, называемые индикаторы веса. Существует широкий спектр измерительных устройств для определения веса с аналогичными параметрами и характеристиками. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: наличие систематических и случайных погрешностей измерений, связанных с индивидуальными особенностями оператора, наличие неучтенной погрешности в результатах измерений, зависящей от изменения диаметра- стального каната, на котором закрепляются рассматриваемые приборы при проведении спускоподъемных операций, а также отсутствие возможности бесконтактного съема измерительной информации. Кроме этого широкий спектр номенклатуры продукции, выпускаемой отечественной и зарубежной промышленностью, обусловил создание ряда индивидуальных средств поверки для отдельных типов индикаторов, веса. Это связано с особенностями конструкций и условиями^ эксплуатации данных измерительных устройств. Для обеспечения» точности и правильности результатов измерений эти приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые в свою очередь также должны быть поверены.

Для обеспечения достоверности результатов, измерений машины типа. МР-500 подвергаются поверке с помощью- эталонных динамометров третьего разряда, которые в свою очередь аттестовываются на эталонных силоизмерительных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и' приборная сложность систем, а также наличие субъективной1 погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения 1 различных средств поверки типа гирь и их транспортирование, при соблюдении требуемой« точности и диапазонов измерений.

Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию1 всех процессов метрологического обеспечения средств измерений (СИ). Повышение требований к точности измерений ведет к дальнейшему усовершенствованию конструкции индикаторов веса. В связи с этим возникает задача создания принципиальных схем измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с применением электронно-цифровой техники, которая минимизирует систематические и случайные погрешности и обеспечивает высокую точность измерений, например, при слежении за деформацией объектов. Поэтому разработка бесконтактных методов и средств измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с использованием цифровых систем регистрации результатов измерений является актуальной задачей определения метрологических характеристик при измерении силы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование модели индикаторов веса, минимизирующей систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин- в отраслях нефтегазовой промышленности; разработка и исследование метрологического обеспечения, предложенной модели, индикаторов веса.

Основные задачи исследования. Указанная цель достигается« путем решения следующих задач:

- выполнения анализа существующих измерительных устройств, используемых в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин;

- анализа составляющих погрешности и её теоретической оценки при использовании в комплексе СИ силы и длины;

- исследования функциональной и технологической схемы работы СИ, используемых в качестве эталонов для поверки индикаторов веса;

- разработки принципиальных схем определения величины деформации методом высокоточного геометрического нивелирования;

- разработки и исследования модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения' стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами;

- оценки общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- разработки и исследования методов градуировки индикаторов веса с применением цифровых нивелиров;

- разработки автоматизированной системы для определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств;

- разработки метода аттестации индикаторов веса с помощью-высокоточных СИ длины.

Научная новизна выполненной работьъ состоит в том, что впервые:

- выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

- разработаны новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

- разработана автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

- разработан высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

- разработана и реализована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Практическая значимость. Разработана модель индикаторов-веса, минимизирующая систематические и случайные погрешности, измерений для определения и регистрации усилий натяжения1 стальных канатов бесконтактными методами' в отраслях нефтегазовой промышленности, основанная на использовании цифровых нивелиров. Результаты экспериментальных работ, выполненных с помощью предлагаемых методов, показывают возможность использования их для градуировки индикаторов веса, а также при испытании образцов металлоконструкций' с применением цифровых нивелиров.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются' существующие индикаторы веса, используемые в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, предметом являются методы уменьшения погрешности измерений объекта исследований.

На защиту выносятся):

- анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса; - новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

- автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

- высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической- измерительной1 системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

- модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Реализация результатов работы. Разработанная модель индикаторов веса при непосредственном участии автора прошла апробацию в ЗАО «НерудЗапсиб» при измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов. Предложенные методы применялись при определении деформации различных образцов металлоконструкций в ЗАО «НерудЗапсиб» и ЗАО «Инженерный центр». Разработанные методы прошли апробацию при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров в ФГУ «Новосибирский ЦСМ». Разработанные методы определения значений перемещения и деформации чувствительных элементов динамометров, образцов металлоконструкций с применением цифрового нивелира внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Сибирской государственной геодезической академии» приложение В и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ» приложение Г, ЗАО «НерудЗапсиб» приложение Д, ЗАО «Инженерный центр» приложение Е.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1) II Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 24-28 апреля Новосибирск 2006 г;

2) III Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 25-27 апреля Новосибирск 2007 г;

3) XI Международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-Технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризация земель и объектов недвижимости» 27 мая-03 июня Португалия 2007 г;

4) IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 22-24 апреля Новосибирск 2008 г.

5) V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 20-24 апреля Новосибирск 2009 г.

По теме диссертационной'работы опубликовано 16 научных работ (из них 6 - в соавторстве, 3 — в рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ).

Структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, три раздела, заключение, шесть приложений и список использованных источников. В первом разделе рассмотрены функциональная и технологическая схемы работы наиболее распространенных моделей индикаторов веса, используемых для измерения и регистрации усилий натяжения, стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности. Во втором разделе рассмотрено современное состояние метрологического обеспечения индикаторов веса и выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и> длины. В третьем разделе разработана и реализована модель * индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности. Кроме этого в данном разделе разработаны и исследованы методы определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров с помощью цифрового нивелира и лазерного интерферометра. Также предложена разработанная автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Теплых, Александр Николаевич, 2011 год

1.П. О градуировке методом сличения с группой динамометров Текст. / Э.П. Агафонов // Точные измерения массы, силы, вязкости и плотности: тр. НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". - JL, 1982. - С.29-37.

2. ГОСТ 8.065-85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений силы Текст. М.: Изд-во стандартов, 1985.-7 с.

3. Чаленко, Н.С. Методы и средства измерения силы Текст. / Н.С. Чаленко. -М.: Изд-во стандартов, 1991. 30-36 с.

4. Герасимов, Н.С. Исходные средства измерений статических механических величин Текст. / Н.С. Герасимов // Измерение, контроль, автоматизация. -1985.-№7.-С.43-46:

5. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений* Текст. / П.В1 Новицкий, И.А. Зограф. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 55-59 с.

6. Синельников, А.Е. Низкочастотные линейные акселерометры, методы и средства поверки и градуировки Текст. / А.Е. Синельников. М.: Изд-во стандартов, 1979. - 82-85 с.

7. Долинский, Е.Ф. Обработка результатов измерений Текст. / Е.Ф. Долинский. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 134-137 с.

8. Камке, Д. Физические основы единиц измерения Текст. / Д: Камке, К. Кремер. М.: Мир, 1980. -208 с.

9. Вишенков, A.C. Методы и средства аттестации, поверки и испытаний силоизмерительных приборов Текст. / A.C. Вишенков. М.: Изд-во стандартов, 1985. -182 с.

10. Бошерницан, Е.С. Метрологическое обеспечение средств измерений больших сил Текст. / Е.С. Бошерницан // Измерительная техника. 1984. -№ 4. - С. 36-38.

11. Максимов, JI.M. Эталон единицы силы Текст. / JI.M. Максимов, С.А. Смолич // Измерительная техника. 1967. - № 11. - С.27-28.

12. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике Текст. / Л.И. Седов. -М.: Наука, 1977.-388 с.

13. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.geotek.ru/ktts.php?Page=dvesa.

14. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http.V/www.midural.ru/ek.ru/economics/enterprises/ves/prod 10 .htm.

15. ГОСТ Р 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений Текст. М.: Госстандарт России, 1996.-7 с.

16. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tcontrol .ru/rus/giv 1 .htm.

17. ГОСТ 13032-77. Жидкости полиметилсилоксановые. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1977.-7 с.

18. Сычев, Е.И. Проблемы технических измерений Текст. / Е.И. Сычев // Измерительная техника. 1995. - №4. - С. 15-17.

19. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http.7/www.tcontrol.ru/шs/giv6.htm.

20. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.measurement.ru/gk/meteo/08/03.htm.

21. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.raznoves.ru/ive50.htm.

22. Министерство нефтяной промышленности. Правила безопасности в нефтяной промышленности Текст. М., 1993. - 68 с.

23. ГОСТ Р 51330.0-99. Электрооборудование взрывозащитное. Общие требования Текст. М.: Госстандарт России, 1999:-11 с.

24. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащитное. Искробезопасная электрическая цепь / Текст. М-.: Госстандарт России, 1999.-11 с.

25. ГОСТ Р 51330.13-99. Электрооборудование взрывозащитное. Электроустановки во взрывоопасных зонах (кроме подземных выработок) I Текст. М.: Госстандарт России, 1999.-11 с.

26. Проектирование датчиков для измерения*механических величин Текст.: под ред. Е. П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. - С.69-74.

27. Аш, Ж. Датчики измерительных систем Текст. / Аш Ж. и соавторы. В 2-х кн. Кн. 1 пер. с франц. - М.: Мир, 1992. - С. 15-17.

28. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений Текст. М.: Изд-во стандартов, 1976.-7 с.

29. Золоторевский, В. С. Механические свойства металлов Текст. / В. С. Золоторевский. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1983. - С.23-26.

30. Испытательная техника Текст.: справ, в 2-х кн. / под ред. В. В. Клюева.-М.: Машиностроение, 1982.-528 с.

31. ГОСТ 28840-90. Машины* для- испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования Текст. М.: Изд-во стандартов, 1990.-7 с.

32. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение и изгиб Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

33. ГОСТ 9500-84. Динамометры эталонные переносные. Общие технические требования Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

34. ГОСТ 8.287-78. Динамометры эталонные переносные третьего разряда. Методы и средства поверки Текст. М.: Изд-во стандартов, 1978.-11 с.

35. Машина разрывная Р-5. Паспорт Гб 2.773.035 ПС.- М., 1981.- 38 с.

36. ГОСТ 21743-76. Масла авиационные. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1976.-7 с.

37. ГОСТ 17216-2001. Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей Текст. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.-11с.

38. Характеристики машины Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vnir.ru/desc.php?bctovarid=49.

39. ГОСТ 14896-84. Манжеты уплотнительные резиновые для гидравлических устройств. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

40. ПР 50.2.006-94. ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений.- М., 1994.- 56 с.

41. Характеристики^ машин Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tochmash.ru/ir6053 .htm.

42. Перов, В.И. Достоверность результатов контроля авиационной техники Текст. / В.И. Перов. М.: Отраслевое изд-во «Технический прогресс и повышение квалификации в авиационной промышленности», 1994. - 82 с.

43. МИ 2060-90 ГСИ. Государственная,поверочная схема-для средств измерений длины в диапазоне от 1х10"6 до*50 м и длин волн в диапазоне 0,2-50 мкм.

44. Коронкевич, В.П. Современные лазерные интерферометры Текст. / В.П; Коронкевич, В.А. Ханов. Н.: Наука, 1985. - 179 с.

45. Характеристики' прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ref.by/refsZ81/18474/1 .html

46. Характеристики< прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://revolution.allbest.ru/geology/d00050160.html

47. Карташева, А.Н. Достоверность измерений' и критерии качества испытаний приборов Текст. / А.Н. Карташева. М.: Изд-во стандартов, 1967.- 158 с.

48. Характеристики прибора* Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.geototal.ru/goodescr/705/

49. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.renishaw.ru/client/product/Russian/PRD-3.shtml

50. Характеристики прибора Электронный/ ресурс. Режим доступа: http://www.renishaw.ru/client/region/Russian/REGCONT-96.shtml