抽油泵螺紋量規(guī)技術(shù)參數(shù)及校準(zhǔn)方法研究

馮 娜，艾裕豐，白小亮，南靈燕，李光峰

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.長慶油田分公司物資供應(yīng)處 陜西 西安 710018)

0 引 言

抽油泵是由抽油機(jī)作為動(dòng)力將井內(nèi)原油舉升到地面的井下裝置。作為抽油機(jī)采油系統(tǒng)的重要組成部分，抽油泵在采油工程中發(fā)揮著重要作用。桿式抽油泵適合于在深井中使用，整體隨抽油桿下入油管內(nèi)的預(yù)定位置固定并密封，具有檢泵時(shí)不需起下油管，作業(yè)方便，減少油管的上卸扣操作，延長油管的使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。隨著石油天然氣勘探的發(fā)展，常規(guī)桿式抽油泵已成為國內(nèi)油田主要的采油方式之一。桿式抽油泵主要依據(jù)API Spec 11AX-2015《地下桿式抽油泵及其配件規(guī)范》和GB/T 18607-2017《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備往復(fù)式整筒抽油泵》(等同采用API標(biāo)準(zhǔn))。標(biāo)準(zhǔn)中僅給出了產(chǎn)品螺紋的公差要求，沒有包含螺紋量規(guī)規(guī)范，無法從這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中獲取對(duì)抽油泵螺紋量規(guī)的各項(xiàng)參數(shù)和公差要求?；诓煌O(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)的抽油泵螺紋量規(guī)存在較大差異，導(dǎo)致抽油泵螺紋產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)爭議時(shí)有發(fā)生，為更好解決這一問題，對(duì)抽油泵螺紋量規(guī)技術(shù)參數(shù)及校準(zhǔn)方法開展研究具有重要意義。

1 抽油泵螺紋產(chǎn)品公差計(jì)算

由于石油工業(yè)對(duì)安全的特殊要求，石油工業(yè)專用螺紋精度要求較高。抽油泵螺紋和套管、油管、鉆桿、鉆鋌等產(chǎn)品使用錐管螺紋不同，抽油泵上大量使用的螺紋是一種直螺紋，為統(tǒng)一螺紋(用UN表示)3A-3B級(jí)精度。為保證螺紋零件的互換性，根據(jù)公差和容隙的大小，統(tǒng)一螺紋規(guī)定了6個(gè)不同的螺紋等級(jí)，精度級(jí)別如圖1所示。3A級(jí)外螺紋和3B級(jí)內(nèi)螺紋用于螺紋配合的松緊度和螺距、半角的精度要求較高的情況。

圖1 統(tǒng)一螺紋精度級(jí)別

API Spec 11AX—2015《地下桿式抽油泵及其配件規(guī)范》規(guī)定的抽油泵螺紋螺距為每英寸10牙、11.5牙、14牙，16牙，外徑從0.750 0～4.238 0 in(1 in=25.4mm)，共34個(gè)規(guī)格。其中19個(gè)規(guī)格是是特殊直徑的統(tǒng)一螺紋，每英寸11.5牙的抽油泵螺紋是非標(biāo)準(zhǔn)直徑—螺距組合的特殊統(tǒng)一螺紋。正常的統(tǒng)一螺紋內(nèi)螺紋產(chǎn)品中徑公差是外螺紋的1.3倍。API Spec 11AX—2015和GB/T 18607—2017中的抽油泵內(nèi)螺紋產(chǎn)品中徑公差與外螺紋中徑公差數(shù)值相同。

為了進(jìn)行抽油泵螺紋量規(guī)研究，首先需要確定抽油泵螺紋產(chǎn)品的公差范圍。抽油泵螺紋產(chǎn)品公差范圍見表1。

表1 抽油泵螺紋產(chǎn)品幾何尺寸

2 抽油泵螺紋量規(guī)的差異

1948年11月18日加拿大、英國和美國標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的代表在華盛頓簽訂協(xié)議，由此產(chǎn)生了統(tǒng)一螺紋。中國在加入 WTO以前沒有制定統(tǒng)一螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)，加入 WTO 以后，隨著國內(nèi)市場不斷地對(duì)外開放，沒有統(tǒng)一螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)的問題變得更加嚴(yán)重和突出。2006 年，中國頒布了統(tǒng)一螺紋的標(biāo)準(zhǔn)。螺紋代號(hào)中采用字母A表示外螺紋，公差取負(fù)值，以基本尺寸為準(zhǔn)向小于基本尺寸的方向規(guī)定；采用字母B表示內(nèi)螺母，公取差正值，以基本尺寸為準(zhǔn)向大于基本尺寸的方向規(guī)定。

中國在螺紋檢驗(yàn)方面采用的體系與美國不同，其差異見表2。美國統(tǒng)一螺紋量規(guī)主要依據(jù)ASME B1.2—1983(R2017)《統(tǒng)一螺紋的量規(guī)和測量》；中國統(tǒng)一螺紋量規(guī)主要依據(jù)JB/T 10865—2008《統(tǒng)一螺紋量規(guī)》。美國采用可調(diào)式螺紋環(huán)規(guī)，如圖2所示，用2件W級(jí)截短牙頂抽油泵校對(duì)塞規(guī)調(diào)整螺紋環(huán)規(guī)，環(huán)規(guī)需要同時(shí)在完整牙型部分和截短牙型部分校對(duì)[1]。中國采用固定式螺紋環(huán)規(guī)，如圖3所示，用一組6件校對(duì)塞規(guī)控制螺紋環(huán)規(guī)的尺寸。

表2 中國與美國抽油泵螺紋量規(guī)體系差異

圖2 可調(diào)式抽油泵螺紋環(huán)規(guī)

圖3 固定式抽油泵螺紋環(huán)規(guī)

3 抽油泵螺紋產(chǎn)品檢驗(yàn)發(fā)生誤判的概率

美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B1.2-1983的螺紋環(huán)規(guī)沒有磨損限，中國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10865—2008的螺紋環(huán)規(guī)有磨損限。為了使中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)結(jié)果與美國標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)結(jié)果盡可能達(dá)到一致，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比米制普通螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3934—2003在精度方面有較大的提高[2-3]。陜西航空宏峰精密機(jī)械工具有限責(zé)任公司標(biāo)準(zhǔn)是按照米制普通螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3934—2003設(shè)計(jì)的，量規(guī)公差偏大。選取0.750 0-10UNS規(guī)格的統(tǒng)一螺紋為研究對(duì)象，其產(chǎn)品外螺紋中徑下線為17.287 mm,其產(chǎn)品外螺紋中徑上限為17.399 mm。工作環(huán)規(guī)中徑公差如圖4所示，各種標(biāo)準(zhǔn)體系下該規(guī)格的抽油泵螺紋量規(guī)中徑公差分布見表3。

圖4 0.750 0-10UNS規(guī)格抽油泵外螺工作環(huán)規(guī)公差

表3 0.750 0-10UNS規(guī)格抽油泵外螺紋及其量規(guī)中徑公差 mm

為求得各種體系螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)抽油泵螺紋產(chǎn)品發(fā)生誤判的概率，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行研究。假設(shè)抽油泵螺紋產(chǎn)品中徑公差服從正態(tài)分布，為X～N1(μ1,σ12)，產(chǎn)品中徑中間值為數(shù)學(xué)期望μ1，公差范圍的一半大小為3σ1；抽油泵螺紋量規(guī)中徑公差分布為Y～N2(μ2,σ22)，量規(guī)中徑中間值為數(shù)學(xué)期望μ2，公差范圍的一半大小為3σ2。構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量T=Y-X,則可求T≤0的概率。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，T～N(μ2-μ1,σ12+σ22+2rσ1σ2)，由于X與Y相互獨(dú)立，則r=0，因此T～N(μ2-μ1,σ12+σ22)；P (T≤0) =FT (0)。

ASME B1.13螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品外螺紋一定合格，存在把合格產(chǎn)品誤判為不合格的可能性，其概率為0.002 8。JB/T 10865螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)后合格的產(chǎn)品最小中徑不一定合格，其概率為0.007；存在檢驗(yàn)后最大中徑合格的產(chǎn)品誤判為不合格的可能性，其概率為0.004 3。GB/T 3934螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)后合格的產(chǎn)品小最小中徑、最小大徑均存在不合格的可能性，最大中徑檢驗(yàn)合格實(shí)際不合格的概率為0.001 5；最小中徑檢驗(yàn)合格實(shí)際不合格的概率為0.000 4。

4 抽油泵螺紋量規(guī)校準(zhǔn)方法

隨著校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，1臺(tái)儀器設(shè)備可以完成多項(xiàng)參數(shù)的校準(zhǔn)，抽油泵螺紋量規(guī)校準(zhǔn)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備的選用見表4。

表4 抽油泵螺紋量規(guī)校準(zhǔn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備的選用

使用螺紋掃描儀進(jìn)行抽油泵螺紋量規(guī)校準(zhǔn)，實(shí)際上是基于量規(guī)的端面進(jìn)行定位，測量定位要求塞規(guī)具有精確的頂尖孔，其測量效率高。完成1件抽油泵螺紋量規(guī)校準(zhǔn)通常在3 min內(nèi)，測量結(jié)果直觀，測量重復(fù)性好，但是測量直徑受限，外徑超過100 mm,即適合校準(zhǔn)規(guī)格為0.750 0-10 UNS 3A～3.238 0-11.5 UNS 3A的所有抽油泵螺紋量規(guī)。

使用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行抽油泵量規(guī)校準(zhǔn)，是基于量規(guī)的作用中徑進(jìn)行定位，螺紋塞規(guī)校準(zhǔn)夾持和定位時(shí)無需頂尖孔。其測量精度高于螺紋掃描儀，但是測量效率相對(duì)較低，校準(zhǔn)1件抽油螺紋塞規(guī)通常需要7 min。三坐標(biāo)測量機(jī)由于星形測頭占據(jù)空間較大，無法測量部分小規(guī)格的抽油泵螺紋環(huán)規(guī)。如不使用掃描測量方法，也無法得到螺紋牙側(cè)角參數(shù)。

使用測長儀進(jìn)行抽油泵螺紋量規(guī)大徑、中徑校準(zhǔn)和利用輪廓儀進(jìn)行抽油泵螺紋量規(guī)牙測角校準(zhǔn)時(shí)，是基于量規(guī)的大徑進(jìn)行定位，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確度受到各牙大徑加工精度的影響。輪廓測量儀僅能校準(zhǔn)抽油泵螺紋量規(guī)的牙側(cè)角和螺距參數(shù)，無法校準(zhǔn)抽油泵螺紋量規(guī)的大徑、中徑參數(shù)。應(yīng)用測長儀和輪廓儀，精度高，效率低，可用于不合格產(chǎn)品復(fù)驗(yàn)。

5 結(jié) 論

1)抽油泵螺紋是屬于特殊直徑或非標(biāo)準(zhǔn)的直徑—螺距組合的特殊統(tǒng)一螺紋，公差級(jí)別為3A-3B級(jí)。

2)由于設(shè)計(jì)依據(jù)不同，美國和中國抽油泵螺紋量規(guī)結(jié)構(gòu)形式存在較大差異，美國螺紋工作環(huán)規(guī)為可調(diào)式，用2件校對(duì)塞規(guī)確定其中徑尺寸是否符合要求，中國螺紋工作環(huán)規(guī)為固定式，用6件校對(duì)塞規(guī)確定其中徑尺寸是否符合要求。

3)ASME B1.13螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品外螺紋一定合格，中國螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品外螺紋不一定合格。通過構(gòu)造抽油泵螺紋和螺紋量規(guī)的分布函數(shù)，進(jìn)行概率計(jì)算可得到各種螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗(yàn)抽油泵螺紋產(chǎn)品發(fā)生誤判的各種概率。

4)抽油泵螺紋量規(guī)校準(zhǔn)有基于端面、大徑、中徑定位方式等多種方法，需結(jié)合校準(zhǔn)設(shè)備自身特點(diǎn)、校準(zhǔn)目的、校準(zhǔn)效率選取合適的校準(zhǔn)方法。