一種數(shù)字式螺紋頂徑標準量規(guī)裝置的技術研制

＊袁浩 楊析

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 天津 300452 2.西安利爾智能科技有限公司 陜西 710065）

引言

多年來，由于API螺紋油管因具有規(guī)范性統(tǒng)一、互換性好、成本低廉、易于操作等優(yōu)點被廣泛使用。然而，隨著油氣勘探開發(fā)難度的增大，油氣井對油套管的連接、密封等方面提出了更高的要求，油套管服役的條件日益苛刻，API螺紋用于復雜井況時，易產(chǎn)生沖蝕污垢，影響通過率，導致油套管頻繁更換，另外，API螺紋的密封性能差，易泄露從而出現(xiàn)套壓現(xiàn)象。因此需設計不同類型的特殊螺紋，滿足不同作業(yè)工況的使用需求，解決海洋石油生產(chǎn)過程中的問題。

生產(chǎn)型企業(yè)在開發(fā)研制特殊螺紋產(chǎn)品時，需要根據(jù)試驗情況不斷調(diào)整特殊螺紋頂徑以及密封面尺寸，以達到一個合適的螺紋過盈量以及上扣扭矩，同時保證螺紋連接以及螺紋抗粘扣性能，一般企業(yè)的做法是一套設計方案形成之后，根據(jù)設計方案定制合適的特殊螺紋頂徑[1]以及密封面標準符合尺寸對比量規(guī)以供測量儀器對標尺寸，并進行實施測量。然而，一般企業(yè)是不具備自制這種高精度的對比量規(guī)的能力，需要外購定制，外購定制周期長，同時，參數(shù)的不斷調(diào)整，需要定制新的復合標準量規(guī)，兩項因素相加會對特殊螺紋產(chǎn)品的研制造成研發(fā)成本高，研發(fā)周期長的現(xiàn)狀，不能夠滿足現(xiàn)代化企業(yè)迅速響應客戶需求，縮短研發(fā)以及試生產(chǎn)周期的需求。

特殊螺紋接頭結構復雜，技術要求較高，在設計階段需要對密封結構和螺紋結構、公差配合等關鍵參數(shù)進行最優(yōu)化設計，除采用有限元數(shù)值分析等理論方法，必須加工實物樣品進行設計驗證試驗，為產(chǎn)品參數(shù)的優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)，這就需要提供密封直徑/螺紋中徑參數(shù)標準量規(guī)進行試樣的加工檢驗。但傳統(tǒng)的固定式標準量規(guī)加工周期長，規(guī)格類型較多，尤其是無法實時調(diào)整設計測量參數(shù)，設計參數(shù)一旦調(diào)整就需要重新加工量規(guī)，對特殊螺紋接頭的優(yōu)化試驗和開發(fā)進度帶來一定程度的影響，同時也將增加產(chǎn)品的設計開發(fā)成本。

因此，本文所論述的“一種數(shù)字式[2]螺紋頂徑標準量規(guī)裝置的技術研制”是可以解決這一問題切實有效的一種方法和裝置。本論文設計開發(fā)一種基于坐標測量原理的數(shù)字式螺紋參數(shù)標準設計方案，采用光柵作為測量基準，構建二維坐標系，在計算機輔助設計軟件的引導下即可實時調(diào)整生成指定規(guī)格、類型的石油管螺紋關鍵參數(shù)標準量規(guī)，尤其適用于石油管新型螺紋接頭的設計開發(fā)、試制階段，可顯著提高新型螺紋接頭的開發(fā)效率和質(zhì)量檢驗水平。

1.數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)系統(tǒng)結構及設計方案

數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)系統(tǒng)結構由驅動裝置、傳動裝置、測量裝置、數(shù)據(jù)采集與細分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

(1)驅動裝置

該裝置用于產(chǎn)品的設計階段，用以檢驗不同設計尺寸加工完成工件的尺寸公差，因此采用手動調(diào)節(jié)的驅動方式，通過粗調(diào)（快速移動）和微調(diào)以實現(xiàn)不同尺寸工件的測量。根據(jù)不同設計尺寸需求，可通過計算機系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。

圖1 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure diagram of digital special thread top diameter standard gauge device

(2)傳動裝置

該裝置的傳動裝置采用齒輪齒條傳動用于尺寸粗調(diào)，采用雙螺母絲杠副的傳動方式進行微調(diào)，通過粗調(diào)微調(diào)相結合，通過相應的機械設計原理，選取合適的齒輪齒條、雙螺母絲杠結構，以滿足不同尺寸，不同精度螺紋中徑的測量。

(3)測量裝置

該規(guī)裝置采用光柵尺作為測量裝置，光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。綜合考慮光柵尺選型、設計、安裝、捌試等因素，得到比較合理光柵尺選型，可比較好的控制檢測效果。選擇合適合理的光柵尺，利用光柵的光學原理進行尺寸測量，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應速度快的優(yōu)點，能夠很好地保證該裝置的測量精度，以更好的驗證加工尺寸是否達到設計要求，用于下階段的試驗驗證。

(4)數(shù)據(jù)采集與細分系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

測量結束后，數(shù)據(jù)的收集和處理是整個過程的最后一個環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。該裝置通過光柵尺測量反饋的數(shù)據(jù)，進行收集以及處理，用計算機系統(tǒng)對裝置進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對不同尺寸螺紋及密封面尺寸的測量。

2.整體方案設計

圖2 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置設計方案示意圖Fig.2 Design scheme of digital special thread top diameter standard gauge device

通過機械測量平臺以及數(shù)據(jù)采集與細分系統(tǒng)與PC機處理相結合的設計方案，標塊設計為一到幾種錐度，通過PC機設置所需調(diào)校標塊距離，并發(fā)出指令，機械測量平臺測量裝置以及驅動裝置通過運動自動調(diào)整標塊之間的距離，運動誤差由PC機軟件系統(tǒng)進行自動補償，以保證標塊之間距離誤差在可控的系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，從而保證該裝置的準確性。

3.機械測量平臺設計

機械測量平臺采用臥式坐標結構形式，包括儀器底座、錐度標準量塊、快速引動工作臺和高精度微調(diào)機構。

錐度標準塊采用對稱錐度設計方式，分別用于構成外螺紋頂徑標準量規(guī)和內(nèi)螺紋頂徑標準量規(guī)，這樣就不需要根據(jù)外、內(nèi)螺紋而頻繁更換錐度標準塊，減小了安裝調(diào)整誤差，提高了測量效率。

位移機構采用雙層機械位移機構設計方式，組合實現(xiàn)快速移動和微調(diào)?？焖僖苿庸ぷ髋_安裝在儀器底座上，采用齒輪齒條傳動、手動驅動方式，鎖緊裝置采用齒條、鎖緊塊的配合方式，利用鎖緊軸橢圓結構進行鎖緊；高精度微調(diào)機構通過與齒輪齒條傳動機構平行的導向導軌安裝在快速移動工作臺，采用雙滑動導軌結構，并在兩導軌外側分別裝有兩組和調(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)部分驅動機構采用高精度螺旋副、手輪驅動方式，采用微調(diào)螺桿和雙螺母的結構，可顯著減少回程誤差，鎖緊裝置利用滑板推桿進行鎖緊，鎖緊力直接作用于滑板推桿，減小對軸向精度的影響。

4.數(shù)據(jù)采集與細分系統(tǒng)

圖3 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置輔助設計軟件界面Fig.3 Software interface of digital special thread top diameter standard gauge

數(shù)據(jù)采集與細分系統(tǒng)采用光柵或電感式傳感器測微機 構[3]實現(xiàn)點位測量和數(shù)據(jù)采集，通過有線或無線數(shù)據(jù)傳輸方式將測量數(shù)據(jù)傳輸至PC機，通過軟件進行數(shù)據(jù)處理和補償，得出標準數(shù)值。同理，也可以通過處理軟件設定所需要標定的理論數(shù)值，由PC機發(fā)出指令，自動調(diào)節(jié)機械測量平臺上的標塊距離，從而用螺紋頂徑或者密封面測量量規(guī)按照標定的數(shù)值進行調(diào)校，然后再去對所需要測量的螺紋頂徑以及密封面直徑進行測量。

5.試驗及結果分析

委托第三方權威計量檢測機構（陜西省計量科學研究院）對該裝置的測量準確度進行了測試，采用高精度激光干涉儀[4]作為計量標準對測量裝置的運動機構誤差進行了測試，測試結果見表1。測試結果表明，本裝置的測量準確度達到設計要求。見圖4數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置的測試結果圖。

表1 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置計量測試結果

圖4 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置計量測試結果圖Fig.4 Measurement and test results of digital special thread top diameter standard gauge device

采用MATLAB軟件對測量機構的運動誤差進行了誤差補償，其方法是將示值誤差曲線按實測點分為若干段，然后把相鄰兩點之間的曲線用直線近似代替，再用若干個直線做最小二乘法擬合，得到一條擬合曲線。若各個實測點就在擬合曲線上，那么這個系統(tǒng)的輸出線性度就是零。所以，應將對相對擬合曲線存在一定偏差的實際測得點“修正”到擬合曲線上，至少是盡力地將實際測得的點“修正”到擬合曲線上即可完成誤差補償。

6.結論

（1）該裝置已經(jīng)在企業(yè)工廠實現(xiàn)應用，應用效果良好，該裝置的實物示意圖如圖5。

圖5 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標準量規(guī)裝置實物示意圖Fig.5 Physical diagram of digital special thread top diameter standard gauge device

（2）該裝置通過了權威計量檢測機構的第三方測試，測量精度可以作為研發(fā)階段的校準儀器進行使用，但不建議作為長期生產(chǎn)所用測量儀器標塊，可以作為試生產(chǎn)階段小批量產(chǎn)品測量用儀器標塊。

（3）該裝置能準確地測量出特殊螺紋產(chǎn)品在試制過程中的各項關鍵尺寸，為不同設計尺寸產(chǎn)品的試驗提供可靠的保證。

（4）該裝置解決了企業(yè)內(nèi)部開發(fā)研制特殊螺紋產(chǎn)品與試生產(chǎn)周期緊任務急與特殊螺紋頂徑以及密封面尺寸測量可變性之間的矛盾，為企業(yè)研制特殊螺紋產(chǎn)品節(jié)約了時間，并提高了研發(fā)與試生產(chǎn)階段的測量精度，為產(chǎn)品研制以及試生產(chǎn)保駕護航。