一種外加厚油管螺紋修復(fù)方法

馮杰，周海芳，馬春莉，方繼鴻，蔣楠

（渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津300280）

一種外加厚油管螺紋修復(fù)方法

馮杰，周海芳，馬春莉，方繼鴻，蔣楠

（渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津300280）

分析了螺紋修復(fù)的原則及難點(diǎn)，介紹了CCD攝像機(jī)、光電編碼器、FAGOR系統(tǒng)修復(fù)、定位板與CCD攝像機(jī)同步的常規(guī)螺紋修復(fù)方法，提出了一種數(shù)控車床修復(fù)加厚油管螺紋方法。數(shù)控車床修復(fù)方法可在保證加厚部位最小尺寸的前提下，在原有螺紋包絡(luò)線上對(duì)螺紋進(jìn)行修復(fù)，從而減少切頭損失，提高經(jīng)濟(jì)效益；與常規(guī)修復(fù)方法相比，具有操作簡(jiǎn)單、無投入、可批量操作的特點(diǎn)。

油管；外加厚；螺紋加工；螺紋修復(fù)；數(shù)控車床

在石油工業(yè)中，油管是用于油氣井內(nèi)輸送石油和天然氣的鋼管，安裝于套管內(nèi)，油氣從油管內(nèi)流升至井口［1］。隨著油井開采深度的增加，較平式油管連接強(qiáng)度更高的外加厚油管的用量也隨之增加，其優(yōu)勢(shì)更加明顯，但APISpec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》（第9版）［2］對(duì)加厚端長(zhǎng)度的要求發(fā)生改變（由原來108mm改為108mm）。執(zhí)行API Spec 5CT—2006（第8版）時(shí)，加厚端長(zhǎng)度能滿足加工兩次螺紋的長(zhǎng)度要求，一次加工不合格可以切掉重新加工；但在APISpec 5CT—2011（第9版）標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，加厚端長(zhǎng)度只能滿足一次螺紋加工要求，一次加工不合格只能將兩端加厚頭各切掉350mm，加工成平式管，這給車絲工序造成很大壓力，若一次加工不合格就會(huì)造成材料浪費(fèi)，影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何對(duì)一次加工不合格的外加厚油管螺紋進(jìn)行修復(fù)，并使其達(dá)到API Spec 5CT—2011、API Spec 5B—2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》［3］要求，是本文討論的重點(diǎn)。

1 螺紋修復(fù)原則及難點(diǎn)

外加厚油管螺紋牙型為三角形、圓頂圓底，牙型角為60°，錐度1∶16，牙型角平分線與軸線垂直，屬錐管圓螺紋范疇。錐管螺紋修復(fù)最關(guān)鍵的是在盡可能節(jié)約材料的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)舊螺紋牙型的修復(fù)，使之符合生產(chǎn)加工精度的需要，避免常規(guī)切頭處理帶來的巨大損失［4］。進(jìn)行螺紋修復(fù)時(shí)，首要問題就是在保持加厚端最小尺寸的前提下，解決修復(fù)時(shí)螺紋對(duì)刀如何對(duì)準(zhǔn)原螺旋槽，如何與原螺紋梳刀軌跡保持一致，一旦起始位置找不準(zhǔn)，就會(huì)出現(xiàn)亂扣，致使修復(fù)無法進(jìn)行。

2 加厚油管的加厚端形狀及尺寸

常用規(guī)格加厚油管加厚端形狀如圖1所示，加厚端尺寸見表1，加厚油管全部為外加厚［5］。

圖1 常用規(guī)格加厚油管加厚端形狀示意

表1 常用規(guī)格加厚油管加厚端尺寸

3 數(shù)控車床螺紋加工原理

數(shù)控車床加工螺紋的基本原理就是插補(bǔ)原理［5］，即機(jī)床X軸走1步，Z軸走1步，刀具始終圍繞理論軌跡作階梯運(yùn)行。利用插補(bǔ)原理，使用梳刀加工油管螺紋。梳刀的插補(bǔ)運(yùn)行是根據(jù)程序編制完成，通過程序的計(jì)算和運(yùn)行，不斷改變刀具的起刀位置，加工出油管螺紋。這種加工方法主要依靠移動(dòng)中小滑板來調(diào)整螺紋刀的位置，摒棄了普通車床速度慢、精度低的缺點(diǎn)，但是在修復(fù)靈活性和準(zhǔn)確性方面卻不及普通車床。

4 螺紋的常規(guī)修復(fù)方法

（1）光電編碼器方法。數(shù)控車床車削螺紋時(shí)，在車床主軸上裝上光電編碼器，以光電編碼器的零位信號(hào)作為同步信號(hào)，保證加工螺紋時(shí)不亂扣［6］。

（2）CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）攝像機(jī)方法。數(shù)控車床車削螺紋時(shí)，采用CCD攝像機(jī)拍攝圖像獲取工件與刀具的軸向位置關(guān)系，進(jìn)而配合光電編碼器對(duì)工件進(jìn)行周向定位［7］。

（3）定位板與CCD攝像機(jī)同步的方法。數(shù)控車床車削螺紋時(shí)，在機(jī)床內(nèi)增加定位板，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿軸向定位，再利用CCD攝像機(jī)拍攝獲得螺紋位置，并自動(dòng)計(jì)算出鉆桿周向回轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行周向定位，實(shí)現(xiàn)螺紋自動(dòng)對(duì)刀，并輸出數(shù)控程序修復(fù)螺紋［8］。

（4）FAGOR系統(tǒng)修復(fù)方法。在車床屏幕編緝器功能下將螺紋加工所需的基本結(jié)構(gòu)顯示在屏幕上來進(jìn)行加工操作。工件原有螺紋經(jīng)過一段時(shí)間使用后，有部分螺紋損壞，這時(shí)用螺紋修復(fù)功能加工，可以使其同原工件具有相同的螺紋［9］。

5 數(shù)控車床螺紋修復(fù)方法

現(xiàn)提出的數(shù)控車床修復(fù)加厚油管螺紋方法，與常規(guī)的一些修復(fù)方法有所區(qū)別，主要在于操作簡(jiǎn)單、無投入、可批量操作。數(shù)控車床修復(fù)加厚油管螺紋方法可在保證加厚部位最小尺寸的前提下，在原有螺紋包絡(luò)線上對(duì)螺紋進(jìn)行修復(fù)，從而減少切頭損失。但螺紋修復(fù)只能減少廢品數(shù)量，不能杜絕廢品的產(chǎn)生?，F(xiàn)就具體情況分類如下：管坯加厚端長(zhǎng)度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求下限，或外徑有缺陷且深度超出螺紋覆蓋范圍時(shí)，無法進(jìn)行螺紋修復(fù)；在車削加工螺紋過程中，螺紋出現(xiàn)亂扣現(xiàn)象，無法進(jìn)行螺紋修復(fù)。

除上述兩種情況外，現(xiàn)以Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格加厚油管的螺紋修復(fù)為例，來說明數(shù)控車床修復(fù)加厚油管螺紋的具體方法。Φ73.02 mm× 5.51 mm規(guī)格加厚油管的外加厚螺紋錐度為1∶16，螺紋類型為8牙圓螺紋，螺距P為3.175 mm。Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格加厚油管的修復(fù)如圖2所示。其中，刀塊型號(hào)為HL 8W2-3 15°Z。

圖2 Φ73.02 mm×5.51mm規(guī)格加厚油管的修復(fù)示意

（1）管體進(jìn)料，管端比正常進(jìn)料多伸出L（根據(jù)加厚端最小長(zhǎng)度確定L，要求L≤20mm），使坐標(biāo)（X，Z）由原來的（0，0）變?yōu)椋?，L）。

（2）慢慢旋轉(zhuǎn)管體，轉(zhuǎn)速設(shè)定為50 r/min（便于車床在運(yùn)行過程中觀察刀尖與圓螺紋切削軌跡），將原有螺紋整體噴上自噴漆（顏色任意，方便觀察即可），將機(jī)床程序調(diào)整至成型程序，X坐標(biāo)上浮2～3 mm，使機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，刀尖與原螺紋牙頂接觸最少為佳。刀尖與原螺紋牙頂接觸的刀補(bǔ)補(bǔ)償界面如圖3所示（如-8.740改為-5.740），3號(hào)刀為螺紋成型刀。

圖3 刀尖與原螺紋牙頂接觸的刀補(bǔ)補(bǔ)償界面

（3）跳讀到螺紋梳刀程序段，調(diào)整成型刀，完成刀尖與原螺紋之間的切點(diǎn)位置，使刀尖與原螺紋牙頂C剛接觸為最佳（W 003中的X坐標(biāo)-8.740上浮距離可根據(jù)情況進(jìn)行刀補(bǔ)調(diào)整）；然后進(jìn)一步調(diào)整刀尖，使其盡可能落于完整牙底內(nèi)，即進(jìn)行Z方向調(diào)整。Z坐標(biāo)的調(diào)整方法為：仔細(xì)觀察螺紋刀完整齒刀尖與任意牙頂C的接觸位置，如果刀尖切削C點(diǎn)的左側(cè)，則應(yīng)根據(jù)切點(diǎn)與C點(diǎn)的距離將Z坐標(biāo)向B方向調(diào)整ΔZ；反之，如果刀尖切削C點(diǎn)的右側(cè)，則應(yīng)根據(jù)切點(diǎn)與C點(diǎn)的距離將Z坐標(biāo)向A方向調(diào)整ΔZ。其中，ΔZ等于半個(gè)螺距減去切點(diǎn)與C點(diǎn)的距離，mm；ΔZ在坐標(biāo)系里有正負(fù)之分，B方向?yàn)樨?fù)，A方向?yàn)檎?。螺紋梳刀程序段的刀補(bǔ)補(bǔ)償界面如圖4所示，3號(hào)刀為螺紋成型刀。

圖4 螺紋梳刀程序段的刀補(bǔ)補(bǔ)償界面

（4）Z坐標(biāo)調(diào)整結(jié)束后，將程序中的X坐標(biāo)恢復(fù)至初始狀態(tài)，并將Z坐標(biāo)整體前進(jìn)一個(gè)螺距P（與程序中的實(shí)際螺距相同，此過程也可用刀補(bǔ)進(jìn)行補(bǔ)償）。此時(shí)坐標(biāo)（X，Z）由（0，L）變?yōu)椋?，L-P）。

如果螺紋未成型，繼續(xù)將Z坐標(biāo)整體前進(jìn)一個(gè)螺距P（與程序中的實(shí)際螺距值相同），直至螺紋成型為止。

6 修復(fù)后的螺紋參數(shù)檢測(cè)

選取20支修復(fù)后的Φ73.02 mm×5.51mm規(guī)格N80鋼級(jí)外加厚油管，測(cè)量其螺紋參數(shù)，具體結(jié)果見表2，可以看出螺紋參數(shù)符合APISpec 5B—2008規(guī)定。

7 結(jié)語

結(jié)合錐螺紋的加工軌跡與機(jī)床的加工特點(diǎn)，闡述了常見的幾種螺紋修復(fù)方法，包括光電編碼器法、CCD攝像機(jī)法、定位板與CCD攝像機(jī)同步法及FAGOR系統(tǒng)修復(fù)法。特別提出了在無需添加任何設(shè)備或程序軟件的前提下的一種純粹運(yùn)用程序插補(bǔ)的修復(fù)方法。該方法可實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的對(duì)刀模式，可精確、高效地對(duì)螺紋進(jìn)行修復(fù)。

表2 Φ73.02mm×5.51mm規(guī)格N80鋼級(jí)外加厚油管修復(fù)后的螺紋參數(shù)

［1］劉宏杰，李杰，唐宗軍.油管數(shù)控加工的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，2000.

［2］API標(biāo)準(zhǔn)翻譯出版委員會(huì).APISpec 5CT—2011套管和油管規(guī)范［S］.9版.北京：石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2011.

［3］API標(biāo)準(zhǔn)翻譯出版委員會(huì).API Spec 5B—2008套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范［S］.15版.北京：石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2008.

［4］李丙才，王明坤.管錐螺紋修復(fù)理論研究［J］.制造材料，2012，50（2）：48-49.

［5］劉峰.用數(shù)控機(jī)床加工石油油管螺紋［J］.機(jī)械工程師，1999（5）：1-3.

［6］孟生才.數(shù)控車床上修復(fù)螺紋時(shí)的對(duì)刀問題［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（4）：100-102.

［7］廖忠浩.基于CCD傳感器的數(shù)控車床螺紋自動(dòng)對(duì)刀研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

［8］王筱，王慶明.基于CCD攝像機(jī)的數(shù)控車床螺紋修復(fù)方法［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（8）：22-25.

［9］周曉君，魏波.基于ANSYS的特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)電工程，2012，29（9）：1002-1006.

●專利信息

A Method for Repairing Threads of Externally-upset Tubing

FENG Jie，ZHOU Haifang，MA Chunli，F(xiàn)ANG Jihong，JIANG Nan
（Bohai Equipment New Century Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin 300280，China）

The principle for and the difficulties encountered with thread repairing are analyzed.A lso described are the CCD camera，the photoelectric encoder，repairing of the FAGOR system，and the conventional thread repair method as involving synchronization between the positioning plate and the CCD camera.A method for repairing the upset tubing thread with the CNC lathe is proposed.The CNC lathe-adopting method for thread repair can make it possible to ensure that under the precondition that theminimum dimensions of the tubing’s upset part is guaranteed，the thread is repaired on the original thread enveloping line so as the cropping loss is reduced，thus the economic benefit increased.Compared with the conventional thread repairmethod，the abovementioned method features such advantages as easy operation，zero investment，and in-lot repair operation.

tubing；externally-upset；thread processing；thread repair；CNC lathe

TG62

B

1001-2311（2016）06-0061-04

2016-04-12；修定日期：2016-10-08）

馮杰（1983-），男，工程師，從事油井管的加工制造及駐廠監(jiān)造、檢測(cè)工作。