抽油桿直線度的測量及生產(chǎn)控制

孟凡旺

(卡麥龍(上海)機(jī)械有限公司，上海 200070)

0 引言

從20 世紀(jì)70 年代開始，我國主要油田的采油方法大部分由自噴采油轉(zhuǎn)為機(jī)械采油，同時在抽油桿的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、用材、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制、新產(chǎn)品開發(fā)、疲勞斷裂機(jī)理研究、舊抽油桿檢測與修復(fù)和失效分析等方面開展了廣泛研究[1],現(xiàn)已成為世界上抽油桿第一生產(chǎn)大國。新抽油桿和修復(fù)抽油桿的直線度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能，直線度作為抽油桿加工制造過程中極其重要的質(zhì)量控制參數(shù)，也越來越受到各大公司的重視。

但是對于直線度的自動精確測量，行業(yè)內(nèi)一直沒有較好的測量手段。賀俊吉等[2]提出在光條截面上進(jìn)行條紋中心的亞像素位置獲??；胡斌等[3]提出了基于方向模板的結(jié)構(gòu)光條紋中心檢測方法；朱里等[4]提出了一種基于陣列攝像的機(jī)器視覺在線測量方法與系統(tǒng)。然而以上方法或是精度不高，易受噪聲影響，或是設(shè)備投入大，不易在線實(shí)現(xiàn)。

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，針對國外客戶對于抽油桿在直線度方面的具體要求，對比了國內(nèi)外對于抽油桿生產(chǎn)中直線度測量的異同。同時結(jié)合工廠實(shí)際，自行設(shè)計了大平臺抽油桿直線度測量工裝及設(shè)備。為滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的直線度要求，對原有抽油桿生產(chǎn)工藝的部分環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化和改善。

1 國內(nèi)外抽油桿直線度測量方法及其注意事項(xiàng)

抽油桿如圖1所示。如果抽油桿彎曲，就會使得工作過程中彎曲的內(nèi)側(cè)應(yīng)力增大，造成抽油桿短期失效。美國石油協(xié)會抽油桿標(biāo)準(zhǔn)API 11B附錄A.6章節(jié)中，分別針對抽油桿桿體和桿頭介紹了各自的直線度測量方法。

圖1 抽油桿

1.1 桿體直線度的測量

抽油桿和短桿彎曲可用下列兩種方法之一進(jìn)行測量。

(1) 方法A：在桿表面距離支點(diǎn)152.4 mm(標(biāo)距)的地方測量全跳動，跳動值是標(biāo)距全長范圍內(nèi)間隙的2倍。

(2) 方法B：用長為304.8 mm的直尺靠在彎曲處的凹邊，采用塞尺測量直尺和凹面之間的間隙值。

對于桿體直徑為16 mm～29 mm所有尺寸的抽油桿，測量最大許可彎曲值采用304.8 mm的標(biāo)距，使用B方法測量的最大許可間隙為1.65 mm；若用A方法測量，全跳動最大許可值為3.3 mm。

1.2 桿端部直線度的測量

將抽油桿的桿體支撐在離桿外螺紋接頭臺肩152.4 mm處測量端部直線度，桿體的其他部分放置在位于同一平面上間距不大于1.83 m的若干同心支架上；借助千分表、激光或其他類似測量設(shè)備，測量臺肩外徑處的彎曲值。對于直徑尺寸為16 mm～29 mm所有尺寸的抽油桿，端部直線度的最大允許全跳動值為3.3 mm。

對于端部直線度，無論國外還是國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)，大部分采用千分表等儀表進(jìn)行測量。通常的做法是手工旋轉(zhuǎn)桿體360°，記錄與臺肩外徑接觸的儀表讀數(shù)值，其測量過程如圖2所示。

圖2 桿端部直線度測量

1.3 注意事項(xiàng)

對于桿端部直線度的測量，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)范中只限定了一種方法，所以國內(nèi)與國外測量方法都是一樣的，不存在產(chǎn)品檢測及接收準(zhǔn)則的不同。

但是對于桿體直線度的測量，國內(nèi)與國外企業(yè)卻存在很大的不同。國內(nèi)企業(yè)更傾向于采用1.1節(jié)中的方法B來測量，這種方法操作簡單，對測量設(shè)備及儀器的要求不高。只需要使用標(biāo)距為304.8 mm直尺靠在桿體彎曲處，用塞尺測量直尺和桿體凹面之間的間隙值即可。但國外工廠或是第三方的檢驗(yàn)公司卻采用1.1節(jié)中的方法A來測量。方法A需要制作特殊的支架以滿足規(guī)范中的測量要求。顯而易見，方法A比方法B更具準(zhǔn)確性，其要求更嚴(yán)格。實(shí)際生產(chǎn)中我們也發(fā)現(xiàn)，用方法B檢驗(yàn)合格的抽油桿，在特殊支架上采用方法A再去檢驗(yàn)時，原本合格的產(chǎn)品有可能變得不合格。仔細(xì)思考不難發(fā)現(xiàn)，方法B只是限定了304.8 mm的直尺標(biāo)距，因此數(shù)據(jù)更多的限定在一個較小的桿體范圍內(nèi)；而方法A需要在特殊的支架上旋轉(zhuǎn)一周后測量整個旋轉(zhuǎn)過程中的跳動值，雖然是在桿表面距離支點(diǎn)152.4 mm的地方測量全跳動，但這種全跳動更易受整個長度范圍內(nèi)桿體的影響。

在實(shí)際的桿體直線度檢驗(yàn)過程中，根據(jù)規(guī)范《API 11BR抽油桿的維護(hù)和搬運(yùn)》的建議操作，桿體的直線度檢驗(yàn)首先采用支架滾動的驗(yàn)證方法。即將抽油桿放置于相鄰間距不大于1.83 m的同心支架(如圖3所示)上，緩慢滾動抽油桿并從端部觀察其整體的擺動情況，根據(jù)目視檢驗(yàn)來確定桿體整體的直線度是否滿足要求。

在上述檢驗(yàn)過程中，對于目視檢驗(yàn)中擺動明顯的抽油桿，可以不做進(jìn)一步的檢驗(yàn)直接拒收；對于擺動不是很明顯但有疑問的抽油桿，則可以通過進(jìn)一步使用千分表來測量其全跳動值來確定其直線度是否符合要求。

我們廠在為國外客戶生產(chǎn)抽油桿時，檢驗(yàn)按照1.1節(jié)中的方法B操作，并且沒有根據(jù)規(guī)范《API 11BR抽油桿的維護(hù)和搬運(yùn)》的建議操作來進(jìn)行產(chǎn)品的滾動檢驗(yàn)，結(jié)果導(dǎo)致第一批出廠的近萬根抽油桿直線度未能通過美國第三方檢驗(yàn)公司的檢驗(yàn)，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失和返修費(fèi)用。

圖3 滾動體直線度測量支架

2 抽油桿直線度的生產(chǎn)控制

為了與國外客戶采用一致的檢驗(yàn)方法，同時切實(shí)解決原生產(chǎn)工藝中抽油桿的直線度問題，我廠在生產(chǎn)并進(jìn)行抽油桿的終檢時，直線度均按方法A來測量桿體的全跳動數(shù)值。同時對抽油桿整個的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了部分優(yōu)化，優(yōu)化后完整的生產(chǎn)工藝過程如圖4所示。

圖4 抽油桿生產(chǎn)工藝過程

2.1 原材料采購

為保證原材料本身具有較好的直線度，在與供應(yīng)商簽訂供貨協(xié)議時，我們對原材料棒材的直線度做了如下規(guī)定：要求1 000 mm長直尺內(nèi)棒材凹面間隙不大于1.0 mm。在收到供應(yīng)商的原材料后，我廠檢驗(yàn)人員會隨機(jī)抽取并將棒材擺放在間距不大于1.83 m的若干支架上進(jìn)行滾動檢驗(yàn)，觀察其擺動情況。對于直線度有疑問的棒材，檢驗(yàn)人員會進(jìn)一步使用加長標(biāo)距為1 000 mm的長直尺按1.1節(jié)中的方法B進(jìn)行檢驗(yàn)。符合要求的原材料完成入庫，不符合要求的則做退貨處理并返回給供應(yīng)商。

2.2 冷校直

該校直工序旨在進(jìn)行鍛造前進(jìn)一步改善原材料的直線度，校直在雙輥校直機(jī)上進(jìn)行，該校直機(jī)上下輥只能微調(diào)間距，不能大幅度上下移動，此時原材料截面為等圓形。

2.3 鍛造

我公司抽油桿的鍛造采用人工半自動化鍛造方法，其棒材支撐輥設(shè)計為支撐位置可上下調(diào)節(jié)式。按以往操作模式，鍛造工只是將支撐輥調(diào)節(jié)成肉眼認(rèn)為在同一水平的高度，缺乏具體的衡量體系。我們將此工序做了改進(jìn)，增加了一臺三維激光測量儀，使用激光儀發(fā)射出的激光來調(diào)節(jié)支撐輥高度，確保棒材的水平中心線與模具的分型面在同一高度位置處，這樣從根本上杜絕了因?yàn)殄懺觳煌膶?dǎo)致的抽油桿直線度問題。

2.4 組批之后的冷校直

此工序的校直是針對鍛造完成之后產(chǎn)品的校直，此時產(chǎn)品端部截面積比桿體大，截面比值達(dá)到4.5～5，已經(jīng)不能采用2.2節(jié)中的校直機(jī)進(jìn)行校直。根據(jù)實(shí)際情況，我們設(shè)計了上可抬升校直輥式的校直機(jī)。這種校直機(jī)的上輥連接提升裝置，可以通過人工操作實(shí)現(xiàn)上輥的提升和下降，很好地解決了非等截面抽油桿產(chǎn)品的校直，對于保證產(chǎn)品具有合格的直線度作用重大。

2.5 熱處理及熱校直

我廠的抽油桿大部分為正火加回火熱處理，抽油桿經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，由于本身?yīng)力的釋放和加熱影響，熱變形是必然存在的。同時根據(jù)客戶產(chǎn)品圖紙要求，凡是熱處理后再經(jīng)冷校直的產(chǎn)品，必須再次回火以便去除產(chǎn)品因冷校直產(chǎn)生的殘余應(yīng)力?？紤]到這樣的要求，在熱處理工序后增加了如2.4節(jié)中同種類型的校直機(jī)。抽油桿回火溫度區(qū)間為610 ℃～690 ℃，經(jīng)回火出爐后仍保持有大約500 ℃的高溫，此時進(jìn)行熱狀態(tài)下的校直，效果與去應(yīng)力回火相同。

2.6 抽油桿大平臺終檢

抽油桿經(jīng)螺紋機(jī)加工后，在淋漆之前要進(jìn)行最后一個環(huán)節(jié)的終檢，以確保此時的直線度完全滿足要求。

終檢采用支架和大平臺全跳動檢驗(yàn)相結(jié)合的方式，支架檢驗(yàn)操作方法與1.3節(jié)中相同。大平臺檢驗(yàn)則是為實(shí)現(xiàn)A方法而專門設(shè)計的檢驗(yàn)工裝，如圖5所示。沿抽油桿放置的直線方向設(shè)置若干間距為304.8 mm的支撐點(diǎn)，通過使用激光調(diào)節(jié)確保各個支撐點(diǎn)都位于同一水平線上。在距離這些支撐點(diǎn)的相同距離處，設(shè)置一導(dǎo)軌可放置移動平臺，千分表固定在移動平臺上，可通過在導(dǎo)軌上移動來測量抽油桿不同位置處的全跳動數(shù)值。

圖5 大平臺直線度檢驗(yàn)

測量時桿體放置在相鄰間隔為304.8 mm的若干支點(diǎn)上，千分表放置在任意相鄰的兩支撐點(diǎn)距離的中間處，緩慢均勻旋轉(zhuǎn)整個桿體，同時注意觀察千分表的讀數(shù)，其示數(shù)的最大值即是桿體對應(yīng)位置處的跳動值。抽油桿端部外螺紋臺肩處的全跳動也可在該大平臺上進(jìn)行測量。

2.7 其他環(huán)節(jié)的直線度控制

除以上各工序的直線度控制外，在抽油桿的吊裝和運(yùn)輸過程中，也應(yīng)特別注意由于操作不當(dāng)而引起的直線度變壞的情況。例如我們使用專門的吊鉤來進(jìn)行吊裝，以保證抽油桿不同位置的受力均勻；貨物裝運(yùn)時邊角部用角鋼固定防止受到外力影響，導(dǎo)致局部受力太過集中而引起直線度的變壞等。

3 結(jié)論

針對抽油桿直線度的檢測及生產(chǎn)控制問題，結(jié)合實(shí)際情況采取了以下改善措施確保直線度符合要求：

(1) 對原材料棒材增加了1 000 mm長直尺測量棒材凹面間隙的措施，間隙值要求不大于1.0 mm。

(2) 鍛造過程中使用三維激光儀調(diào)節(jié)支撐輥和模具分型面高度，使其處在同一高度位置。

(3) 增加了組批工序之后的冷校直工序，該工序校直機(jī)校直輥為提升式，可以再次矯正鍛造過程中可能產(chǎn)生的彎曲問題。

(4) 熱處理工序后的熱校直工序，可以有效改善熱處理高溫過程中抽油桿產(chǎn)生的變形，同時盡量避免了冷校直后需再次去應(yīng)力回火的問題。

(5) 根據(jù)檢驗(yàn)規(guī)范設(shè)計了支架和大平臺的檢驗(yàn)工裝，極大地提高了檢驗(yàn)效率。

通過以上各種措施，抽油桿最終達(dá)到了桿體直線度全跳動≤1.40 mm，端部直線度全跳動≤1.66 mm，二者都遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的3.30 mm。