16英寸及以上偏梯形套管螺紋塞規(guī)小端大徑的測量

劉　浩　黨養(yǎng)正　李文娟　付　瑩

(1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，西安 710065；2.陜西省寶雞市寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，寶雞 721000)

0　引言

隨著國內(nèi)外油田打井深度不斷加深，斜井、水平井等鉆井技術(shù)已普遍應(yīng)用，高強(qiáng)度螺紋連接的套管已成為國內(nèi)外各大油田的急需產(chǎn)品之一，在API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)中，套管螺紋主要包括圓螺紋和偏梯形螺紋，相比圓螺紋而言，偏梯形螺紋雖然加工難度大，但連接強(qiáng)度更好，近年來廣受油田用戶的青睞。在實(shí)際工作中，套管螺紋的連結(jié)部分因?yàn)槠涫芰l件較管體更為惡劣,是專用管材最薄弱的環(huán)節(jié)。為了保證管材之間的螺紋連接能達(dá)到足夠的抗拉伸失效強(qiáng)度、良好的密封性、可靠的互換性和較長的使用壽命，確保鉆采的施工安全，使用專用的螺紋量規(guī)對管子或接箍的質(zhì)量進(jìn)行控制是非常必要的[1]，因此，在JJF 1108—2012石油螺紋工作量規(guī)校準(zhǔn)規(guī)范中，也加入了對偏梯形套管螺紋量規(guī)的測量內(nèi)容。

偏梯形套管螺紋由于不使用中徑位置進(jìn)行密封，而是使用潤滑劑中的金屬微粒堵塞牙頂與牙底之間的間隙進(jìn)行密封[2]，因此加工及測量其螺紋量規(guī)時不對其中徑進(jìn)行控制，而是同時控制齒槽寬、齒厚、齒高以及小端大徑等尺寸來保證螺紋量規(guī)的性能。但是，由于16英寸及以上的偏梯形螺紋量規(guī)結(jié)構(gòu)參數(shù)比較特殊，在測量塞規(guī)小端大徑時容易引入測量誤差，針對此問題，本文提出了一種避免該誤差的解決思路。

1　小端大徑測量誤差的來源

對于規(guī)格為16英寸及以下的偏梯形套管螺紋量規(guī)而言，小端大徑尺寸較易測量，由于量規(guī)的牙頂面均平行于圓錐母線，因此，使用坐標(biāo)機(jī)在牙頂面上的任何地方測量大徑圓錐進(jìn)行擬合計(jì)算都可得出小端大徑的測值，測量位置不會對測量值造成影響。而對于16英寸及以上的偏梯形套管螺紋量規(guī)，其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式與16英寸以下的偏梯形套管螺紋量規(guī)有所不同，結(jié)構(gòu)形式如圖1[3]所示。

圖1　16英寸及以上偏梯形螺紋量規(guī)牙形及尺寸(單位：mm)

其中，量規(guī)錐度為1/12，牙頂和牙底均制成平行于螺紋軸線的臺階形式。由于牙頂與牙底均做成了臺階形，因此，在牙頂面上不同位置進(jìn)行測量，都會得到不同的圓錐面，測量位置如果在螺紋軸線方向相差0.12mm，兩次測量中小端大徑就會偏差0.01mm。

在校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1108—2012中，對于小端大徑的測量僅提到“從任一母線的第二個完整牙開始測量，到倒數(shù)第二個完整牙為止，在塞規(guī)大徑圓錐面上進(jìn)行測量，依次測量四條母線”[4],其中并未規(guī)定出確定“塞規(guī)大徑圓錐”位置的方法。

2　小端大徑測量位置的確定

在API Spec 5B中，規(guī)定偏梯形螺紋的“中徑線”為大徑圓錐母線與同位置的小徑圓錐母線的對稱線。按照這個定義并加上中徑線與3°牙側(cè)面交點(diǎn)處1.27mm的尺寸約束。那么大徑圓錐母線的位置是完全固定的。整個圖形是一完整約束圖形，并未存在欠約束的情況。

但是，如果將全部的元素都測量出來，再根據(jù)6條直線之間的相互關(guān)系建立約束方程來解算中徑線和牙頂圓錐母線的位置，這樣雖然也可以實(shí)現(xiàn)測量，但是所引入的計(jì)算量將十分巨大，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中和計(jì)量校準(zhǔn)工作中難以推廣。本文介紹一種較為簡單的測量方法，可以使用坐標(biāo)機(jī)通過兩次迭代測量比較準(zhǔn)確的得到塞規(guī)大徑圓錐的位置。步驟如下：

1)以螺紋圓錐軸線作為Z軸建立坐標(biāo)系，使用探針測量出一條母線上所有的3°牙側(cè)面位置。

2)牙頂面任意位置采點(diǎn)，并沿螺距平移采集其他牙頂面上的點(diǎn)，將測量到的點(diǎn)擬合為最小二乘直線(牙頂面母線)。

3)以牙頂面采到的第一個點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿螺紋軸線方向平移2.54mm(1.27+1.27)，在螺紋牙底面采點(diǎn)，并沿螺距平移采集其他牙底面的點(diǎn)，擬合為最小二乘直線。

4)求此2條直線的對稱線，并與3°牙側(cè)面交于點(diǎn)A′。

5)以求出的A′點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿螺紋軸線平移1.27mm，按照步驟2的方法得到牙頂上大徑圓錐母線的點(diǎn)。測量過程如圖2所示。

6)以此方法分別在其他母線位置進(jìn)行測量，將所有測量點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，即可得到“塞規(guī)大徑圓錐”，此時求出的大徑圓錐與5B標(biāo)準(zhǔn)中定義的位置基本一致。

圖2　通過兩次測量確定大徑位置

3　主要誤差分析

按照5B標(biāo)準(zhǔn)中的要求，可以得知偏梯形螺紋的單個牙頂面直線部分共有1.408mm，大徑圓錐母線就在直線段的某個位置上，在直線部分的兩個極限位置做牙頂面母線、牙底面母線和對稱線(如圖3中的實(shí)線與虛線)，分別和3°牙側(cè)面交于點(diǎn)A1以及點(diǎn)A2，如圖3所示。

圖3　在牙頂面的極限位置上進(jìn)行測量

A1點(diǎn)與A2點(diǎn)的垂直于螺紋軸線的坐標(biāo)之差ΔX為

(1)

式中，ψ為螺紋量規(guī)圓錐角。

因此其平行于軸線的坐標(biāo)之差ΔZ為

ΔZ=ΔX×tan(3°)=0.00307mm

(2)

又因?yàn)閷?shí)際要求的中徑點(diǎn)A與實(shí)際測量出的對稱線與牙側(cè)面交點(diǎn)A′同時位于A1點(diǎn)與A2點(diǎn)之間，由這兩個位置沿螺紋軸線平移1.27mm測量得到的兩條牙頂面母線在Z軸上坐標(biāo)之差ΔZ′<0.00307mm，因此兩個位置測量得出的小端大徑之差Δd0<0.00307/12=0.00025mm，此誤差已足夠小，可忽略不計(jì)。

這樣，我們雖然沒有嚴(yán)格的在API標(biāo)準(zhǔn)中要求的大徑位置進(jìn)行測量，但是我們找到了與其足夠接近的測量位置，已可以認(rèn)為測出的數(shù)據(jù)即是API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)中所標(biāo)注的“螺紋量規(guī)大徑圓錐”。

4　驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)論

使用蔡司CenterMax橋式坐標(biāo)機(jī)，MPEe值為0.6+L/600μm，探測誤差P為0.2μm，實(shí)驗(yàn)所抽樣的量規(guī)為日本黑田精工生產(chǎn)的20英寸偏梯形螺紋套管螺紋量規(guī)校對規(guī)，分別使用兩種方式在量規(guī)的相同位置進(jìn)行測量，在量規(guī)上測量均布的四條母線，觀察兩種方法的數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性。

方法1)

對于每個牙槽，分別測量兩牙側(cè)面、牙槽牙底面、鄰接牙槽的兩牙頂面、與該牙槽相鄰牙槽的牙底面。分別擬合最小二乘直線， 并記錄實(shí)測值， 然后使用繪圖軟件按照實(shí)測值繪圖，并按照標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)注建立約束，求解該牙槽牙頂面的測量點(diǎn)。求解

得到測點(diǎn)后對各條母線進(jìn)行最小二乘擬合，得到4條大徑圓錐母線以及小端大徑。測量3次實(shí)測值：501.3823、501.3841、501.3828。

方法2)

使用文章中提及的方法進(jìn)行測量，測量3次。實(shí)測值：501.3838、501.3819、501.3829。

結(jié)論：經(jīng)過試驗(yàn)證明，使用兩種方法測值的結(jié)果基本一致，數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性較好，因此使用此方法對小端大徑進(jìn)行測量是非?？煽康摹?/p>

5　結(jié)束語

16英寸及以上偏梯形螺紋量規(guī)的樣式較為奇特，選擇測量位置的不同會對小端大徑的實(shí)測值造成比較大的影響，雖然標(biāo)準(zhǔn)中所標(biāo)注的尺寸并不好對其具體位置進(jìn)行計(jì)算，但是仔細(xì)觀察標(biāo)準(zhǔn)中螺紋牙型的形式尺寸，可以推理出塞規(guī)螺紋大徑圓錐的位置范圍，使用本文所提到的方法可以十分輕松的確定出一個與標(biāo)準(zhǔn)圖中標(biāo)注十分接近的測量位置，具有一定的測量精度，值得推廣。

[1]王為農(nóng)， 薛梓.石油螺紋的檢驗(yàn).計(jì)量技術(shù)，2000(10)

[2]練章華，楊龍,等.套管偏梯形螺紋接頭泄漏機(jī)理的有限元分析.石油礦場機(jī)械,2004(5)

[3]Specification for Threading,Gauging,and Thread Inspection of Casing,Tubing，and Line PipeThreads(U.S.Customary Units)，API SPEC 5B.2008

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1108-2012 石油螺紋工作量規(guī)校準(zhǔn)規(guī)范,2012