套管管端直線度測(cè)量方法探討

呂拴錄，滕學(xué)清，楊相同，馬　誼平，薛繼軍，李昱　坤，上官豐收，張春婉，衛(wèi)　棟

套管管端直線度測(cè)量方法探討

呂拴錄1，2，滕學(xué)清1，2，楊相同2，馬誼平2，薛繼軍3，李昱坤4，上官豐收4，張春婉3，衛(wèi)棟4

（1.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京102249；2.塔里木油田，新疆庫(kù)爾勒841000；3.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室，西安710065；4.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）①

對(duì)套管管端直線度測(cè)量方法進(jìn)行了調(diào)查研究，認(rèn)為目前測(cè)量套管管端直線度的直尺太重，測(cè)量方法不正確，實(shí)際測(cè)量結(jié)果是管端局部直線度，并非管端直線度。采用馬鞍規(guī)測(cè)量管端直線度時(shí)，馬鞍規(guī)支點(diǎn)位置的管體幾何形狀對(duì)測(cè)量精度有一定影響。通過(guò)對(duì)一批直連型套管接頭偏心原因進(jìn)行分析，認(rèn)為套管接頭偏心原因是管端彎曲所致，管端彎曲的原因是工廠管端直線度測(cè)量方法不正確，在加工螺紋接頭之前未能發(fā)現(xiàn)管端彎曲。建議采用足夠輕的直尺測(cè)量管端直線度，保證直尺至少有0.3 m（1英尺）與管端彎曲范圍以外的管子表面接觸。

管端；直線度；弦高；直尺；馬鞍規(guī)

幾何誤差是指零件加工后的實(shí)際形狀、方向和相互位置與理想形狀、方向和相互位置的差異。在形狀上的差異稱形狀誤差，在方向上的差異稱方向誤差，在相互位置上的差異稱位置誤差。幾何公差分形狀公差、方向公差、位置公差和跳動(dòng)公差4種類型。其中形狀公差是對(duì)單一要素提出的幾何特征，因此，無(wú)基準(zhǔn)要求［1-2］。

直線度在幾何公差中是最基礎(chǔ)的部分。直線度是限制實(shí)際直線對(duì)理想直線變動(dòng)量的一種形狀公差。直線度由形狀（理想包容形狀）、大?。ü钪担?、方向、位置4個(gè)要素組成，用于限制1個(gè)平面內(nèi)的直線形狀偏差，限制空間直線在某一方向上的形狀偏差，限制空間直線在任一方向上的形狀偏差。

直線度測(cè)量是幾何量計(jì)量領(lǐng)域里1個(gè)最基本的項(xiàng)目，它是平面度、平行度、同軸度等幾何測(cè)量的基礎(chǔ)，是與尺寸精度、圓度和表面粗糙度同稱為影響產(chǎn)品質(zhì)量的4大要素，在生產(chǎn)實(shí)踐中受到高度重視，出現(xiàn)了很多種直線度的測(cè)量方法和裝置。

直線度誤差是指實(shí)際直線對(duì)理想直線的變化量，反映了被測(cè)直線的不直程度。根據(jù)ISO推薦的標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直線度誤差可分為給定平面內(nèi)的直線度誤差、給定方向的直線度誤差和任意方向內(nèi)的直線度誤差。通常，給定平面內(nèi)的直線度誤差和給定方向內(nèi)的直線度誤差被稱為平面直線度誤差，任意方向內(nèi)的直線度誤差被稱為空間直線度誤差。

套管管體直線度是保證套管質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。用管端直線度不合格的管子來(lái)加工的套管螺紋接頭與管體偏心，降低了套管接頭連接強(qiáng)度和密封性能［3-21］。管體全長(zhǎng)直線度或／和管端直線度不合格的套管組合成管柱之后會(huì)產(chǎn)生附加的偏斜拉伸載荷或附加的偏斜壓縮載荷，最終降低套管承載能力。

API SPEC 5CT［22］對(duì)規(guī)格大于等于114.3 mm（英寸）的管子直線度測(cè)量要求如下：

1）使用繃?yán)K或線測(cè)量管子全長(zhǎng)直線度（如圖1所示）。

2）使用至少1.8 m（6英尺）長(zhǎng)的直尺測(cè)量管端直線度，直尺至少應(yīng)有0.3 m（1英尺）與彎曲端范圍以外的管子表面接觸（如圖2）。也可用等效方法測(cè)量管端直線度。在有爭(zhēng)議的情況下，應(yīng)使用直尺仲裁。

3）拉緊的繩子或直尺應(yīng)放在能顯示出最大偏離處的位置。偏離直線或弦高不應(yīng)超過(guò)圖1～2規(guī)定。

圖1　API SPEC 5CT規(guī)定的套管管體全長(zhǎng)直線度測(cè)量方法

圖2　API SPEC 5CT規(guī)定的套管管體兩端直線度測(cè)量方法

目前，國(guó)內(nèi)各套管加工廠均按照API SPEC 5CT規(guī)定的測(cè)量方法測(cè)量套管管體直線度。對(duì)于套管管體全長(zhǎng)直線度測(cè)量方法基本沒(méi)有什么問(wèn)題，但在管端直線度測(cè)量方面采用直尺和馬鞍規(guī)2種測(cè)量方法上，測(cè)量結(jié)果存在爭(zhēng)議。下面對(duì)2種管端直線度測(cè)量方法分別予以討論。

1　現(xiàn)有管端直線度測(cè)量方法

1.1采用直尺測(cè)量管端直線度

采用直尺測(cè)量管端直線度，所用的直尺有如下2種：一種直尺長(zhǎng)度為1.8 m、質(zhì)量為4.9 kg；一種直尺長(zhǎng)度為2.0 m、質(zhì)量為5.4 kg（如圖3）。

圖3　采用直尺測(cè)量管端直線度

1.2采用馬鞍規(guī)測(cè)量管端直線度

采用馬鞍規(guī)測(cè)量管端直線度，馬鞍規(guī)1號(hào)支點(diǎn)與2號(hào)支點(diǎn)之間的距離為0.3m（1英尺），2號(hào)支點(diǎn)到測(cè)量?jī)x表觸頭的距離為1.5m（5英尺），如圖4～5。

圖4　采用馬鞍規(guī)測(cè)量管端直線度

圖5　采用馬鞍規(guī)測(cè)量管端直線度

2　測(cè)量精度分析

2.1采用直尺測(cè)量管端直線度

1）為了保證直尺本身的直線度，通常選用強(qiáng)度較高的金屬材料，并且直尺的尺寸大、質(zhì)量大、管端直線度測(cè)量難度大。如圖3所示，采用長(zhǎng)度1.8 m、質(zhì)量4.9 kg的直尺和長(zhǎng)度2.0 m、質(zhì)量5.4 kg的直尺測(cè)量管端直線度。由于直尺自重的作用，根本無(wú)法保證直尺至少有0.3m（1英尺）與管端彎曲范圍以外的管子表面接觸（如圖6），圖6中虛線部分為未與管體表面良好接觸的直尺。測(cè)量出的直線度偏差h0與實(shí)際值h有差值△h，△h=h-h0?，F(xiàn)有直尺根本無(wú)法測(cè)量管端直線度，按照如圖3所示測(cè)量方法實(shí)際測(cè)量結(jié)果并非管端直線度（弦高），而是管端局部直線度（弦高）。

圖6　直尺傾斜時(shí)測(cè)量示意

2）該方法1次只能測(cè)量1個(gè)相位方向上的直線度，不能連續(xù)測(cè)量整個(gè)圓周上的直線度，需要檢驗(yàn)人員旋轉(zhuǎn)管子目測(cè)找出彎曲嚴(yán)重的位置，再采用直尺測(cè)量出管端彎曲弦高。

3）要保證直尺測(cè)量精度，首先必須采用很輕的直尺。只有當(dāng)直尺質(zhì)量足夠輕，直尺長(zhǎng)度≥1.8 m，操作方法正確，才可保證直尺至少有0.3 m與管端彎曲范圍以外的管子表面接觸，最終才能保證管端直線度測(cè)量精度。

2.2采用馬鞍規(guī)測(cè)量管端直線度

由于實(shí)際管子幾何形狀與名義尺寸存在一定差異，馬鞍規(guī)底座支點(diǎn)為三角形，馬鞍規(guī)支點(diǎn)與管子接觸的位置實(shí)際相當(dāng)于管子圓柱與三角形支點(diǎn)兩面相切接觸，與采用直尺測(cè)量管端直度時(shí)至少有0.3 m與管端彎曲范圍以外的管子表面接觸相比，馬鞍規(guī)支點(diǎn)與管子接觸的位置很少，馬鞍規(guī)三角形支點(diǎn)位置管體幾何形狀對(duì)測(cè)量精度有一定影響。下面對(duì)馬鞍規(guī)三角形支點(diǎn)位置的管體不同幾何形狀對(duì)測(cè)量精度的影響分別予以分析。

1）在馬鞍規(guī)三角形支點(diǎn)位置處在管子同一圓柱表面的情況下，馬鞍規(guī)三角形支點(diǎn)位置管體幾何形狀對(duì)測(cè)量精度沒(méi)有影響（如圖5）。

2）在馬鞍規(guī)兩三角形支點(diǎn)位置沒(méi)有處在管子同一圓柱表面的情況下，馬鞍規(guī)支點(diǎn)位置管體幾何形狀對(duì)測(cè)量精度有一定影響。當(dāng)1號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周大于2號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周，測(cè)量的管端弦高等于實(shí)際管端弦高減去1號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周半徑與2號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周半徑之差（如圖7）；當(dāng)1號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周小于2號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周，測(cè)量的管端弦高等于實(shí)際管端弦高加上2號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周半徑與1號(hào)三角形支點(diǎn)位置管子圓周半徑之差（如圖8）。

2.32種測(cè)量工具測(cè)量精度對(duì)比

API SPEC 5CT規(guī)定，優(yōu)先采用直尺測(cè)量管端直線度，也可用等效方法測(cè)量管端直線度。在有爭(zhēng)議的情況下，應(yīng)使用直尺進(jìn)行仲裁。即，采用直尺測(cè)量管端直線度比采用馬鞍規(guī)測(cè)量精度高。

圖7　管端直線度測(cè)量偏差示意一

圖8　管端直線度測(cè)量偏差示意二

3　管端直線度對(duì)螺紋接頭加工質(zhì)量及使用性能的影響

3.1管端直線度不合格導(dǎo)致接頭偏心

對(duì)1批直連型套管接頭偏心的套管檢驗(yàn)結(jié)果表明：偏心最嚴(yán)重的1根套管內(nèi)螺紋接頭外臺(tái)肩最小壁厚6.10mm，最大壁厚11.80mm，后者是前者的1.93倍（如圖9）；偏心最嚴(yán)重的1根套管外螺紋接頭內(nèi)臺(tái)肩最小壁厚5.56mm，最大壁厚6.80mm，后者是前者的1.22倍（如圖10）。

失效分析結(jié)果表明［23］，直連型套管接頭偏心原因是管端彎曲所致。經(jīng)過(guò)深入工廠調(diào)查研究，管端彎曲的原因是該廠采用如圖3所示的測(cè)量方法沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量管端直線度，在管端直線度超差的管體上加工了螺紋接頭。

圖9　內(nèi)螺紋接頭不同圓周位置外臺(tái)肩壁厚正態(tài)分布

圖10　外螺紋接頭不同圓周部位內(nèi)臺(tái)肩壁厚正態(tài)分布圖對(duì)比

套管管體直線度是保證質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。用管端直線度不合格的管子加工的套管螺紋接頭與管體偏心，這就降低了套管接頭連接強(qiáng)度和密封性能。管體全長(zhǎng)直線度或／和管端直線度不合格的套管組合成管柱之后，會(huì)產(chǎn)生附加的偏斜拉伸載荷或附加的偏斜壓縮載荷，最終降低套管承載能力。

3.2管端直線度不合格導(dǎo)致黑皮扣超標(biāo)

某油田在套管檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4偏差很大，接頭黑皮扣超標(biāo)。同一根套管外螺紋接頭L4min=89.4 mm，L4max=130 mm（如圖11）。雖然API SPEC 5B對(duì)偏梯形套管外螺紋接頭管端至螺紋消失點(diǎn)的長(zhǎng)度L4沒(méi)有規(guī)定公差，但依據(jù)API SPEC5CT規(guī)定的外徑公差（+1%D，-0.5%D）推算結(jié)果，L4上偏差為39.11 mm（7.70扣），下偏差為-19.56 mm（3.85扣）。實(shí)際套管L4上偏差符合要求，L4下偏差超差5.66 mm（1.11扣）。

失效分析結(jié)果表明，套管接頭黑皮扣超差原因是管端彎曲所致。經(jīng)過(guò)深入工廠調(diào)查研究，管端彎曲的原因也是該廠沒(méi)有掌握管端直線度測(cè)量方法，在管端直線度超差的管體上加工了螺紋接頭。

圖11　管端彎曲導(dǎo)致套管接頭黑皮扣超標(biāo)

按照API SPEC 5CT規(guī)定的外徑負(fù)公差（-0.5%D）計(jì)算L4，套管密封性能降低17.3%；實(shí)際L4=89.40 mm時(shí)，套管接頭密封性能降低22.3%。

偏梯形螺紋接頭受力最大的位置在螺紋消失位置，黑皮扣超差的偏梯形螺紋套管接頭螺紋消失位置只有局部圓周有螺紋，這就增大了該位置應(yīng)力集中，很容易導(dǎo)致套管接頭從螺紋消失位置斷裂。

3.3管端直線度不合格導(dǎo)致工廠成本增加

1）在加工螺紋過(guò)程中，由于黑皮扣超差，工廠不得不切頭后重新加工，這就會(huì)增加工廠生產(chǎn)成本。如果切頭后套管長(zhǎng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，工廠會(huì)白白損失切頭部分的管段和切頭費(fèi)用；如果切頭后套管長(zhǎng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，整根套管報(bào)廢，工廠損失更大。

2）在加工螺紋接頭過(guò)程中，管端直線度不合格的管子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)擺動(dòng)厲害，這會(huì)導(dǎo)致螺紋車床軸承壽命和其他零件早期損壞，縮短螺紋加工車床壽命，最終使工廠生產(chǎn)成本大幅度增加。

4　結(jié)論

1）目前采用的直尺太重，測(cè)量方法不正確，對(duì)管端直線度的測(cè)量結(jié)果實(shí)際并非管端直線度（弦高），而是管端局部直線度（弦高）。

2）建議采用足夠輕的直尺測(cè)量管端直線度，保證直尺至少有0.3 m（1英尺）與管端彎曲范圍以外的管子表面接觸。

［1］GB／T 1958—2004，產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（GPS）形狀和位置公差檢測(cè)規(guī)定［S］.

［2］GB／T 11336—2004，直線度誤差檢測(cè)［S］.

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［21］高林，呂拴錄，李鶴林，等.油、套管脫扣、擠毀和破裂失效分析綜述［J］.理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2013，49（4）：177-182.

［22］API SPEC 5CT，Specification for Casing and Tubing. 9th ed［S］.Washington（DC），2010.

［23］滕學(xué)清，呂拴錄，李寧，等.直連型套管螺紋接頭偏心原因分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（6）：49-52.

Discussion of Measuring End Straightness of Casing

LYU Shuanlu1，2，TENG Xueqing2，YANG Xiangtong2，MA Yiping2，XUE Jijun3，LI Yukun4，SHANGGUAN Fengshou4，ZHANG Chunwan3，WEI dong4
（1．Material Science and Engineering Department，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Tarim Oil Field，Korla 841000，China；3．Xi’an Maurer petroleum Engineering Laboratory，Xi’an 710065，China；4．Tubular Goods Research Institute，China National Petroleum Corporation，Xi’an 710065，China ）

An investigation on measuring end straightness of casing is given in this paper.It is considered that the actual measuring result is local position straightness，instead of pipe end straightness due to heavy ruler applied and incorrect measuring method for inspection end straightness；the pipe geometry at fulcrum position of saddle gage applied is effected to result of end straightness.Based on failure analysis for eccentric joint of extreme-line casing，it is found that the pipe end deviation from straight resulted in eccentric casing connection because the incorrect measuring method was applied to gage pipe end straightness and could not find the pipe end deviation from straight before threading in the mill.It is suggested that the ruler should be light enough，and the ruler should be touched 0.30 m at least with pipe behind end bend range as inspecting pipe end straightness.

pipe end；straightness；chord height；ruler；saddle gage

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.008

1001-3482（2015）10-0033-05