芻議數(shù)字化在油井管螺紋中的應用*

潘存強，趙 鵬

(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

0 引 言

油氣能源勘探、開采工業(yè)廣泛使用API 5B 標準螺紋連接的油井管，將埋藏于地表以下幾千米的油氣礦藏，通過管道輸送到地面上的設施中。螺紋連接的設計及質量能力直接影響油氣開采所能達到地層的深度、開采作業(yè)的安全及作業(yè)效率。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，開采深度從50 a前的1 000 m，增加到現(xiàn)在的3 500 m以上。開采技術從垂直井演變?yōu)樗骄?，常?guī)的API螺紋連接已經(jīng)難以滿足油氣開發(fā)場景的需求，各石油公司、研究機構及鋼管制造廠商都在研發(fā)適用于復雜開采工況的螺紋連接結構，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國內(nèi)外非API的螺紋接頭有數(shù)百種，被廣泛應用于定向井、深井、超深井、水平井、高氣壓井、重腐蝕井、稠油熱采井等特殊井況。通常情況下，開發(fā)一種新的螺紋連接需要花費大量的資金，歷時2～3 a 等較長的時間，如何通過運用數(shù)字化技術，提升螺紋連接研發(fā)及制造效率是石油管產(chǎn)業(yè)鏈正在探索的方向。

1 數(shù)字化是產(chǎn)品開發(fā)制造過程中的知識重復使用的重要途徑

產(chǎn)品設計、工藝優(yōu)化過程中大量的工作是檢索、重復使用以往經(jīng)驗知識以及獲取新知識[1]，設計/優(yōu)化經(jīng)驗知識的獲取、共享與重復使用, 有利于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質量[2]。根據(jù)所采用的設計原理與技術是否已存在,設計可分為原創(chuàng)設計和再設計兩大類。后者又可根據(jù)改進部分的數(shù)量和程度, 進一步分為適應性設計、變型設計、選擇設計和布局設計。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，新產(chǎn)品及新工藝設計中大約60% 以上的工作是基于以往經(jīng)驗展開的,對產(chǎn)品、工藝經(jīng)驗知識的獲取、重復使用是在較短時間內(nèi)獲得高質量設計的關鍵因素,這在復雜產(chǎn)品的開發(fā)過程中表現(xiàn)更為突出[3]。

數(shù)字化解決了產(chǎn)品設計、制造過程中各相關流程的數(shù)據(jù)定義，數(shù)據(jù)傳遞的接口問題，使參與各方的信息傳遞效率更高?；跀?shù)字化平臺上的協(xié)同設計, 產(chǎn)品開發(fā)、工藝優(yōu)化過程涉及大量專業(yè)團隊的協(xié)同工作, 具有比個人設計更為復雜的設計流程、組織結構及產(chǎn)品結構, 設計中相關對象之間的關聯(lián)關系、知識類型及知識的流向都更加復雜、多樣。關于油井管螺紋產(chǎn)品設計，全行業(yè)數(shù)百種螺紋，80%以上的產(chǎn)品屬于再設計產(chǎn)品，如何將這些產(chǎn)品在設計、評價、制造過程中獲得的經(jīng)驗整理成便于檢索、重復使用的知識，是提升產(chǎn)業(yè)鏈流程效率的重要手段，數(shù)字化就是一種被其他行業(yè)驗證有效的手段。

數(shù)字化產(chǎn)品規(guī)劃是指在數(shù)字化研發(fā)/制造的平臺上,對產(chǎn)品的研發(fā)/工藝進行規(guī)劃，以數(shù)字化仿真技術、加工資源和工藝方法為基礎, 通過識別產(chǎn)品設計、制造特征, 為產(chǎn)品制定加工工藝路線, 包括加工順序、資源( 機床、刀具和工裝) 分配、切削參數(shù)的制定、NC 代碼的生成，測量路徑規(guī)劃等。其工作流程系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、資源數(shù)據(jù)庫和知識數(shù)據(jù)庫對圖1的各項過程進行支撐, 這些數(shù)據(jù)庫包含著螺紋/產(chǎn)品的數(shù)字化模型、加工知識、某些特定材料的工藝特性和工廠的加工資源，數(shù)據(jù)庫完善與否關系到工藝規(guī)劃的實施效率。

圖1 數(shù)字化工藝規(guī)劃及封裝

2 數(shù)據(jù)的模塊化封裝是實現(xiàn)知識重復使用的有效手段

基于特征數(shù)據(jù)的模塊化封裝廣泛應用于計算機軟件設計及數(shù)據(jù)處理中，主要是為了降低大型復雜軟件編寫過程的難度和出錯概率，實現(xiàn)軟件代碼的重復使用。封裝就是隱藏對象的屬性和實現(xiàn)細節(jié)，僅對外公開接口，控制在程序中屬性的讀和修改的訪問級別，將抽象得到的數(shù)據(jù)和行為(或功能)相結合，形成一個有機的整體，也就是將數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)的源代碼進行有機的結合。封裝的目的是在處理復雜系統(tǒng)中，在確保系統(tǒng)安全性的前提下簡化實施過程，使用者不必了解具體的實現(xiàn)技術細節(jié)，而只是要通過外部接口，以特定方式來使用封裝所實現(xiàn)的功能。

以油井管螺紋齒形設計為例，將齒形的參數(shù)抽象為直線要素及圓弧要素，這些直線要素與圓弧要素首位相連，構成設計齒形。每條直線用兩個端點作為特征值表示，每段圓弧用圓心點及圓弧起點和終點作為特征值，這些特征值互相之間的關系表達了齒形設計的齒高、螺距、齒寬等信息，將這些特征信息封裝起來，通過改變要素值來表達不同的齒形設計。將齒形特征沿產(chǎn)品母線方向平移螺距整數(shù)倍就實現(xiàn)了不同規(guī)格的產(chǎn)品設計。同理測量設備在測量螺紋尺寸時，齒形的路徑規(guī)劃軌跡與齒形在產(chǎn)品母線上平移的路徑是一致的。這樣數(shù)字化加工的軌跡跟數(shù)字化的測量軌跡在工藝設計階段可以實現(xiàn)代碼重復使用，降低研發(fā)強度，提升研發(fā)效率。

3 油井管螺紋數(shù)字化規(guī)劃

3.1 齒形數(shù)字化及產(chǎn)品設計數(shù)字化

產(chǎn)品工程師在完成油井管螺紋連接設計后會形成兩個設計文件，包括齒形設計圖和產(chǎn)品設計圖，齒形設計圖如圖2所示，產(chǎn)品設計圖如圖3所示。首先將齒形設計圖進行數(shù)字化改造，通常一個完整的齒形由4條直線段和4段圓弧連接而成，簡稱齒形8個要素。4條直線段分別為齒頂線、承載面(線)、齒底線、引導面(線)，相鄰兩直線段之間分別用圓弧連接。將齒形中徑線與承載面的交點作為坐標原點，則數(shù)字化后的齒形8個要素可以表達為8個解析方程，齒高、螺距等信息體現(xiàn)在解析方程的定義域中。產(chǎn)品設計就是將數(shù)字化的齒形在產(chǎn)品坐標系中平移及坐標轉換。以API Spec 5B中的偏梯型外螺紋為例，定義螺紋四根直線(齒頂Line1、承載Line2、齒底Line3、引導Line4)及各直線間的圓弧(Arc1、Arc2、Arc3、Arc4)聯(lián)接，螺紋齒形示意圖如圖4所示,API偏梯扣齒形(小于16″)數(shù)字化方程見表1。以承載Line2與中徑線的交點為原點，定義直線與圓弧(坐標系跟車床坐標系相同)，到產(chǎn)品設計流程時，將齒形的數(shù)據(jù)在工件坐標系中以產(chǎn)品軸線為旋轉軸，中徑為旋轉直徑，在軸線方向以螺旋(直徑)漸增/減的方式，形成產(chǎn)品設計尺寸。以5 1/2 偏梯型外螺紋為例，中徑螺旋線的數(shù)字化表達式為(極坐標)：

表1 API偏梯扣齒形(小于16″)數(shù)字化方程

圖2 齒形設計圖

圖3 產(chǎn)品設計圖

圖4 螺紋齒形示意圖

(1)

(2)

-97.16≤Z≤0

(3)

r≤69.85

(4)

3.2 螺紋梳刀數(shù)字化

梳刀是螺紋加工的重要刀具，其設計質量及準備周期影響著產(chǎn)品研發(fā)的進展及制造工藝成本。通常齒形設計完成后研發(fā)工程師會交付一張CAD圖紙，當進行數(shù)字化以后，齒形文件將會變成四段直線及四段圓弧的解析方程，工藝工程師根據(jù)梳刀適用的材料及機床進行切削工藝設計，通常會有一張切削分配圖，如圖5所示。圖5中表示了梳刀各齒的切削分配，該梳刀設計有3齒，其中黑線表示成型齒，各色線之間的間隙表示各齒的加工余量分配，數(shù)字化后黑線的8個要素(4線4弧)表達為8個解析方程，同理黃線也可以表達為8個要素，黑線的8個要素跟黃線的8個要素之間的空間關系就是線段(圓弧)的平移、旋轉及比例縮放。將以上過程抽象化，齒形的設計為輸入X，將齒形8要素的平移、旋轉、縮放過程封裝成一個轉換函數(shù)f()，則黃線的數(shù)字化結果就是f(X)，下次設計人員修改的齒形X1，如果切削分配不變的話，就直接用f(X1)得到新的梳刀設計。此流程可以極大壓縮從產(chǎn)品設計到工具設計的時間及成本。

圖5 齒形向梳刀圖轉換示意圖

3.3 測量過程數(shù)字化

生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度隨著晝夜及季節(jié)變動，長江流域常年的波動氛圍約為40 ℃，任何一個測量設備在如此廣闊的溫度波動范圍內(nèi)都無法保證測量的重復性。通常情況下，測量人員都要在生產(chǎn)現(xiàn)場放置一個標準測量樣塊，包括螺距樣塊、齒高樣塊，采用相對測量的方式來消除溫度波動對工件尺寸的影響。比對儀(EQUATOR)是一種運用相對測量原理的數(shù)字化檢驗設備，其測量流程如圖6所示：1)從生產(chǎn)現(xiàn)場任意選取一個工件作為基準件R(無論此工件尺寸是否合格)，在溫控狀態(tài)下用三坐標測量儀獲得基準件的質量數(shù)據(jù)F0(真值)及測量數(shù)據(jù)D0。2)將質量數(shù)據(jù)F0及測量數(shù)據(jù)D0導入比對儀中，用比對儀的標準件(MASTER)模式測量基準件，獲得當前溫度環(huán)境下的測量數(shù)值，作為基準值f0。3)用比對儀的測量(MEASURE)模式測量當前生產(chǎn)的工件W，獲得當前溫度下的測量f1，將此測量值跟基準值進行比較換算成當前工件的質量值。4)如果測量模式下的環(huán)境溫度跟校準模式下的環(huán)境溫度差值超過設定值，則用基準件再次校準比對儀，這樣就可以消除環(huán)境溫度變動導致的測值波動。

圖6 車間工況下螺紋自動測量實施原理圖

比對儀測量是一種通用的數(shù)字化檢具，通過獲得工件表面的三維數(shù)據(jù)點來計算產(chǎn)品的空間尺寸，產(chǎn)品的質量特征測量從單一尺寸單一量具轉變到用空間數(shù)字模型路徑來規(guī)劃測量路徑。將原有的量具準備由硬件制造轉變?yōu)閿?shù)字化設計，縮短了量具準備時間，取消了購置量具的生產(chǎn)成本。

3.4 加工工藝及質量控制數(shù)字化

一個完善的螺紋加工工藝涉及到加工設備、數(shù)控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、材料性能、切削工藝等綜合因素，每個企業(yè)都會有不同的生產(chǎn)線生產(chǎn)相同的產(chǎn)品，或同一生產(chǎn)線制造不同的產(chǎn)品，如何保證一種新產(chǎn)品能夠迅速在不同生產(chǎn)線上實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，加工工藝數(shù)字化是一個簡單高效的手段。

將數(shù)字化加工工藝分為3個數(shù)據(jù)接口輸入，包括產(chǎn)品設計參數(shù)，設備參數(shù)，材料參數(shù)，這些參數(shù)可以直接從數(shù)字化工藝規(guī)劃庫中獲取，通過封裝接口導入，最終得到數(shù)控加工代碼。在引入數(shù)字化螺紋自動測量后，使整個加工過程形成了一個控制閉環(huán)，加工端數(shù)控系統(tǒng)通過調整刀補來控制刀具磨損導致的尺寸波動，測量端比對儀將測量結果反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過制定一個高效的反饋補償策略，可以把質量數(shù)據(jù)控制在名義值附近波動。刀具更換時，將刀具的尺寸數(shù)據(jù)(對刀數(shù)據(jù))導入到數(shù)控系統(tǒng)中，參與軌跡控制，使更換刀具引入的公差對產(chǎn)品尺寸影響降低到最小。

鉆桿或各種鉆井工具在重復使用過程中，不可避免會產(chǎn)生一些螺紋碰傷或損壞，快速地將這些損壞的螺紋修復，是提高現(xiàn)場作業(yè)效率及降低作業(yè)成本的有效手段。機床觸頭配合數(shù)控系統(tǒng)，提供了數(shù)字化自動修復螺紋的技術條件，通過測量待修螺紋在機床空間中的夾持位置，數(shù)控系統(tǒng)調整加工刀具的運動軌跡，使刀具的各切削刃包絡待修螺紋，實現(xiàn)螺紋的數(shù)字化修復。修復過程與操作人員的技能水平無關，修復效率及精度與機床觸頭的測量精度及重復性相關。

3.5 螺紋連接性能計算數(shù)字化

產(chǎn)品研發(fā)過程中，有限元計算是一個必不可少的環(huán)節(jié)，將設計產(chǎn)品采用網(wǎng)格化分割的方式，利用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的關系式，來核算產(chǎn)品設計是否符合項目目標。通常研發(fā)人員采用名義值或上/下限值來進行網(wǎng)格化分割，因沒有實際數(shù)據(jù)支撐，無法將生產(chǎn)過程中工件的實際變形等加工偏差列入計算范圍。當生產(chǎn)現(xiàn)場運用數(shù)字化量具以后，可以生成海量的實際質量數(shù)據(jù)，這些質量數(shù)據(jù)可以進行分層匯總，一個工件數(shù)據(jù)可以分離為齒形數(shù)據(jù)和錐體數(shù)據(jù)(包含變形及產(chǎn)品公差)。在進行有限元分析時，直接將新的齒形模型疊加在錐體數(shù)據(jù)(包含變形及產(chǎn)品公差)上，形成一個接近與現(xiàn)場生產(chǎn)的實體模型，對此模型進行有限元分析得到的結果更接近于真實工件的情況。通過這種方式，可以快速迭代出接近最優(yōu)的齒形設計及產(chǎn)品設計。

4 螺紋數(shù)字化對石油管行業(yè)發(fā)展影響的展望

油井管螺紋產(chǎn)品研發(fā)階段實現(xiàn)全流程數(shù)字化以后，將會對整個行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，短期對制造端的影響比較顯著。

1)提升產(chǎn)品質量控制能力。減少了檢驗人員惰性及技能帶來的產(chǎn)品質量風險。

2)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。因刀具磨損導致的不合格品將大幅降低，與產(chǎn)品規(guī)格相關、種類繁多的量具不再是必需品。

3)實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。測量數(shù)據(jù)可以實時反饋給加工系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，為生產(chǎn)線的無人化提供技術支持。

油井管螺紋自動測量投入生產(chǎn)應用后，將會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行發(fā)掘與應用，將極大促進行業(yè)的發(fā)展速度。展望未來，預計的應用包括：

(1)實現(xiàn)數(shù)字化裝配，用數(shù)字化螺紋規(guī)代替環(huán)塞規(guī)的緊密距檢驗。

(2)縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

將測量數(shù)據(jù)抽象為密封面形狀、齒形及錐體三部分，實測數(shù)據(jù)分解為密封面(理論值)、齒形(理論值)及錐體(有變形的實際值)。研發(fā)階段可以將不同的理論值(設計)與實際值(測量)封裝成實體，進行有限元計算及試驗，快速篩選最優(yōu)方案。

齒形設計完成以后，相關的刀具、加工工藝、測量工藝設計均可以自動生成?？梢圆恍枰苽渑c測量相關的螺紋樣塊等標準件。

(3)用戶不需要提供各種驗收、測量量具，減少用戶端使用成本。

(4)對加工數(shù)據(jù)的計算分析，可以評估刀具壽命及機床精度，持續(xù)改進刀具、夾具的使用壽命。