數(shù)字式石油管螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的研發(fā)

王小強(qiáng)，王利剛，楊　析，史交齊，姬丙寅，王紅江

1.中國(guó)石油塔里木油田分公司質(zhì)量檢測(cè)中心（新疆庫爾勒841000）2.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司（陜西　西安710065）

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數(shù)字式石油管螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的研發(fā)

王小強(qiáng)1，王利剛1，楊析2，史交齊2，姬丙寅2，王紅江2

1.中國(guó)石油塔里木油田分公司質(zhì)量檢測(cè)中心（新疆庫爾勒841000）
2.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司（陜西西安710065）

摘要螺紋中徑測(cè)量方法近年來已在特殊螺紋接頭油、套管等高質(zhì)量石油管的加工和質(zhì)量檢驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用，美國(guó)石油學(xué)會(huì)最近也將螺紋中徑測(cè)量方法納入了API SPEC 5B最新標(biāo)準(zhǔn)草案。針對(duì)傳統(tǒng)的固定機(jī)械式螺紋中徑量規(guī)種類繁多、制造周期長(zhǎng)、不易調(diào)整和進(jìn)行誤差修正等局限性，提出了一種基于坐標(biāo)測(cè)量原理的數(shù)字式石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)設(shè)計(jì)方法。該方法采用光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)，構(gòu)建二維坐標(biāo)系，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的引導(dǎo)下，實(shí)時(shí)調(diào)整生成指定類型、規(guī)格的石油管螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)。關(guān)鍵詞 數(shù)字式石油管；螺紋中徑；標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)

AbstractIn recent years, the measurement method of thread pitch diameter has been widely used in the processing and quality inspec?tion of high quality oil pipes with special threaded joint, such as tubing, casing pipe and so on, and The American Petroleum Institute re?cently makes the measuring method of the thread pitch diameter included in the latest standard draft of API SPEC 5B. Traditional fixed mechanical thread pitch diameter gauge are many limitations, such as many of the variety, long manufacturing cycle, not easy adjust?ment, and error correction, and for this reason, the design method of a digital oil tube thread pitch-diameter standard gauge measuring based on standard gauge diameter is put forward. In this method, the two-dimensional coordinate system is constructed by using the grat?ing as the measuring datum, and the oil tube thread pitch-diameter standard gauge of specified type and specification can be generated by real-time adjustment under the guidance of computer aided design software.

Key wordsdigital oil tube; thread pitch-diameter; standard gauge

1　螺紋中徑測(cè)量方法概述

API SPEC 5B標(biāo)準(zhǔn)采用基于最大實(shí)體原則設(shè)計(jì)的圓錐螺紋量規(guī)，通過測(cè)量螺紋緊密距來間接測(cè)量產(chǎn)品螺紋接頭的中徑。由于API標(biāo)準(zhǔn)螺紋量規(guī)采用完整螺紋牙型設(shè)計(jì)，緊密距測(cè)量值受螺紋中徑、螺距、錐度和螺紋牙型等單項(xiàng)參數(shù)的綜合影響，只有各個(gè)螺紋單項(xiàng)參數(shù)均為理論設(shè)計(jì)值時(shí)，緊密距測(cè)量值和螺紋中徑測(cè)量值完全一致。但單項(xiàng)參數(shù)存在偏差時(shí)，緊密距測(cè)量值和螺紋中徑測(cè)量值并不一致，甚至存在較大的差異，一定程度上影響了石油管螺紋的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果和加工控制[1]。

因此，國(guó)外主要石油管生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)，在20世紀(jì)80年代末開始的油、套特殊螺紋接頭研究開發(fā)中，大多采用螺紋中徑直接測(cè)量方法取代螺紋緊密距綜合檢驗(yàn)[2]。螺紋中徑測(cè)量方法經(jīng)過20余年的發(fā)展，基本形成了完整的技術(shù)體系，在高質(zhì)量石油管的加工和質(zhì)量檢驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用和普遍認(rèn)可。美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)自20世紀(jì)90年代末開始關(guān)注螺紋中徑測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，并成立了專門的工作組開展相關(guān)研究，在2008年發(fā)布的第15 版API SPEC 5B[3]標(biāo)準(zhǔn)中，首次以補(bǔ)充技術(shù)要求的方式規(guī)定了油、套管的螺紋中徑和橢圓度的公差要求，規(guī)范性附錄SR22 (增強(qiáng)型抗泄露LTC螺紋連接)。即將發(fā)布的第16版API SPEC 5B標(biāo)準(zhǔn)已基本明確增加螺紋中徑和橢圓度測(cè)量項(xiàng)目為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測(cè)量項(xiàng)目，規(guī)定了油管、套管螺紋中徑、橢圓度的尺寸和公差要求，并給出了推薦測(cè)量方法和儀器。

螺紋中徑測(cè)量采用比較測(cè)量法，以外螺紋中徑測(cè)量為例說明（圖1）。首先在相應(yīng)的石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的中徑測(cè)量基面位置，將螺紋中徑測(cè)量?jī)x的測(cè)量機(jī)構(gòu)指示標(biāo)調(diào)整至零位；然后用調(diào)整好的螺紋中徑測(cè)量?jī)x測(cè)量產(chǎn)品螺紋對(duì)應(yīng)位置處的頂徑（對(duì)于外螺紋為大徑，內(nèi)螺紋則為小徑），即得到螺紋中徑的偏差值[4]。

傳統(tǒng)的螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)一般采用圖1所示的框架式錐面結(jié)構(gòu)或圓錐光滑量規(guī)結(jié)構(gòu)。選擇優(yōu)質(zhì)工具鋼，采用高精度電火花加工工藝加工制造，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在不足之處。

圖1 外螺紋中徑測(cè)量原理示意圖

1）對(duì)于每種類型、規(guī)格的螺紋接頭需要分別專門設(shè)計(jì)一套螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，常用的量規(guī)種類達(dá)幾十種，整體投資費(fèi)用較高。

2）量規(guī)制造周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)滿足用戶的要求，一定程度上影響了產(chǎn)品檢驗(yàn)工作的正常進(jìn)行，這種情況對(duì)于特殊螺紋接頭產(chǎn)品尤為明顯。

3）固定式量規(guī)的垂直度、平行度等形位公差不易調(diào)整消除，也難以進(jìn)行誤差補(bǔ)償，對(duì)中徑測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度帶來一定影響。

本文提出了一種基于坐標(biāo)測(cè)量原理的數(shù)字式石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)設(shè)計(jì)方法。采用光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)，構(gòu)建二維坐標(biāo)系，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的引導(dǎo)下可以實(shí)時(shí)調(diào)整生成指定類型、規(guī)格的石油管螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)。還可以進(jìn)行誤差修正，顯著提高了量規(guī)的準(zhǔn)確度和可靠性。該方法較好地解決了傳統(tǒng)固定式中徑量規(guī)存在的不足之處，具有高效、方便、準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化量值溯源。

2　測(cè)量原理

基于坐標(biāo)測(cè)量原理，采用光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)，構(gòu)建二維坐標(biāo)系，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件引導(dǎo)下驅(qū)動(dòng)高精度導(dǎo)軌至指定坐標(biāo)位置，即可實(shí)時(shí)調(diào)整生成指定規(guī)格、類型的石油管螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)。

測(cè)量原理如圖2、圖3所示。首先，根據(jù)擬調(diào)整生成的螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的類型選擇相應(yīng)的錐度標(biāo)準(zhǔn)塊，并分別安裝在測(cè)量平臺(tái)的底座和高精度移動(dòng)平臺(tái)上。然后，將可移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊移動(dòng)至接近機(jī)器零位處，采用已知數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)量塊或高精度內(nèi)尺寸測(cè)量裝置（內(nèi)徑千分尺或電感側(cè)微裝置），設(shè)置測(cè)量裝置的初始零位x0。依據(jù)公式（1）或公式（2）計(jì)算得到移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊相應(yīng)的軸向坐標(biāo)位移值，通過高精度移動(dòng)平臺(tái)將可移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊調(diào)整至x坐標(biāo)處（圖2中用虛線表示）并鎖緊，即得到擬設(shè)計(jì)生成的外螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)或內(nèi)螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)。

圖2 外螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)測(cè)量原理示意圖

圖3 內(nèi)螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)測(cè)量原理示意圖

擬設(shè)計(jì)生成的某種外螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的軸向坐標(biāo)位移值，按公式（1）計(jì)算：

x=GA-x0-W1-W2+2×tgβ1×(L1-G1)（1）

式中：x為可移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的軸向坐標(biāo)位移值,mm；GA為產(chǎn)品螺紋G1平面處的螺紋大徑設(shè)計(jì)值, mm；x0為初始零位,mm；W1為固定錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的大端寬度，mm；W2為可移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的大端寬度，mm；β1為錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的螺紋錐角（左）,（°）；L1為錐度標(biāo)準(zhǔn)塊錐面垂直高度,mm；G1為管子端面至測(cè)量平面處的軸向距離設(shè)計(jì)值,mm。

擬設(shè)計(jì)生成的某種內(nèi)螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的軸向坐標(biāo)位移值，按公式（2）計(jì)算：

x=MA-x0-2×tgβ2×(L2-M2)（2）

式中：x為可移動(dòng)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊軸向坐標(biāo)位移值，mm；MA為產(chǎn)品螺紋M1平面處的螺紋小徑設(shè)計(jì)值，mm；x0為初始零位，mm；β2為錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的螺紋錐角（右）,（°）；L2為錐度標(biāo)準(zhǔn)塊錐面垂直高度，mm；M2為接箍端面至測(cè)量平面處的軸向距離設(shè)計(jì)值，mm。

3　測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由機(jī)械測(cè)量平臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)和石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)輔助設(shè)計(jì)軟件組成。

機(jī)械測(cè)量平臺(tái)采用臥式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)方案如圖4所示，包括儀器底座、錐度標(biāo)準(zhǔn)量塊、快速移動(dòng)工作臺(tái)和高精度微調(diào)機(jī)構(gòu)。儀器底座選用花崗巖，可以提高儀器的整體穩(wěn)定性。錐度標(biāo)準(zhǔn)塊采用對(duì)稱錐度設(shè)計(jì)方式，不需要更換錐度標(biāo)準(zhǔn)塊即可分別構(gòu)成內(nèi)、外螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，減小了安裝調(diào)整誤差，提高了測(cè)量效率。

位移機(jī)構(gòu)采用雙層機(jī)械位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，組合實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)和精確微調(diào)?？焖僖苿?dòng)工作臺(tái)安裝在儀器底座上，采用齒輪齒條傳動(dòng)、手輪驅(qū)動(dòng)方式，鎖緊裝置采用齒條、鎖緊塊的配合方式，利用鎖緊軸橢圓結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖緊。高精度微調(diào)機(jī)構(gòu)通過與齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平行的導(dǎo)向?qū)к壈惭b在快速移動(dòng)工作臺(tái)，采用雙滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并在兩導(dǎo)軌外側(cè)分別裝有兩組可調(diào)整壓緊力的軸承座組，以限制滑板垂直方向自由度。微調(diào)部分驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高精度螺旋副、手輪驅(qū)動(dòng)方式，采用微調(diào)螺桿和雙螺母消結(jié)構(gòu)，可顯著減少回程誤差。鎖緊裝置利用滑板推桿進(jìn)行鎖緊，鎖緊力直接作用于滑板推桿，減小對(duì)軸向精度的影響。

圖4 機(jī)械測(cè)量平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)采用高精度光柵測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。本系統(tǒng)采用了德國(guó)某公司生產(chǎn)的計(jì)量光柵系統(tǒng)，光柵測(cè)量機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示。

本系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Pro?grammable Gate Array，F(xiàn)PGA）設(shè)計(jì)的ENC7480編碼器計(jì)數(shù)及I/O控制卡，可以采集4軸正交編碼器信號(hào)，計(jì)數(shù)器為28位，輸入頻率為4MHz。本系統(tǒng)光柵傳感器輸出兩路相位差為90°的方波,利用直接細(xì)分達(dá)到0.5μm的分辨率，方波信號(hào)經(jīng)由計(jì)數(shù)卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)總線，從而軟件可以實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前的位置坐標(biāo)值。ENC7480增量式編碼器計(jì)數(shù)卡為旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵尺等工業(yè)測(cè)量元件提供了PC機(jī)信號(hào)采集接口，并具有外部信號(hào)觸發(fā)后硬件自動(dòng)高速鎖存位置的功能。同時(shí)配有功能完善的軟件，包括驅(qū)動(dòng)軟件、函數(shù)庫、例程等內(nèi)容，從而使得位置、速度和加速度的測(cè)量變得簡(jiǎn)潔、方便，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于影像測(cè)量?jī)x、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)等自動(dòng)化設(shè)備上。

石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)輔助設(shè)計(jì)軟件采用微軟新一代WPF(Windows Presentation Foundation)圖形系統(tǒng)技術(shù)。基于DirectX 9/10技術(shù)的WPF提供了超豐富的.Net UT框架，集成了矢量圖形，豐富的流動(dòng)文字支持，3D視覺效果和強(qiáng)大無比的控件模型框架。本系統(tǒng)基于WPF技術(shù)開發(fā)了圖形化的石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)輔助設(shè)計(jì)軟件，軟件界面友好、簡(jiǎn)潔、功能豐富，實(shí)現(xiàn)了石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)設(shè)計(jì)、誤差修正與補(bǔ)償?shù)裙δ?。軟件框圖見圖7，軟件界面見圖8。

圖5 光柵測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

圖6 光柵測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)輔助設(shè)計(jì)軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

以API標(biāo)準(zhǔn)偏梯形外螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)為例，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，采用ZEISS PRISMO Navi?gator高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[5-6]，對(duì)生成的螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)進(jìn)行了計(jì)量檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果見表1。從測(cè)量結(jié)果可以看出，本測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算生成的螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的準(zhǔn)確度滿足設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于規(guī)格大于177.80mm的標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，存在較大的測(cè)量偏差，初步分析認(rèn)為可能存在兩方面的原因：

1）測(cè)量系統(tǒng)的誤差隨著量規(guī)高度的增加而隨之增大。

2）雖然對(duì)錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的寬度、錐角、錐體長(zhǎng)度等制造偏差進(jìn)行了精密測(cè)量和誤差補(bǔ)償。但未對(duì)安裝后的錐度標(biāo)準(zhǔn)塊的垂直度、平行度等形位偏差進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和補(bǔ)償，影響了系統(tǒng)生成的中徑量規(guī)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖8 石油螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)輔助設(shè)計(jì)軟件界面

表1 API標(biāo)準(zhǔn)偏梯形螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)測(cè)量結(jié)果　/mm

5　結(jié)論

1）基于坐標(biāo)測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了石油管螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的快速設(shè)計(jì)與調(diào)整生成，以及數(shù)字化測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明其準(zhǔn)確度滿足±0.010mm的要求。

2）開發(fā)了一套螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可快速、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整出所需要螺紋類型、規(guī)格的螺紋中徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)。尤其適用于石油管新型螺紋接頭的設(shè)計(jì)開發(fā)、試制，可顯著提高新型螺紋接頭的開發(fā)效率，也可作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)用于期間核查和比對(duì)測(cè)量。

3）需要進(jìn)一步深入研究系統(tǒng)機(jī)構(gòu)誤差、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，完善測(cè)量模型及誤差補(bǔ)償，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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收稿日期：本文編輯：左學(xué)敏2015-08-26

作者簡(jiǎn)介:王小強(qiáng)（1967-），男，高級(jí)工程師，主要從事石油工程研究工作。