數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)*

白小亮，劉 釗，張?zhí)镌?，?志 ，何 坤，李 群

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.長(zhǎng)慶油田分公司物資供應(yīng)處(物資管理部) 陜西 西安 710021；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721000；4.西安泰銳精密機(jī)械科技有限公司 陜西 西安 710300；5.長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠 內(nèi)蒙古 烏審旗 017300)

0 引 言

油井管柱是由螺紋連接而成，而管柱失效70%左右都發(fā)生在螺紋連接處，因此石油螺紋參數(shù)檢驗(yàn)就顯得尤為重要。目前石油螺紋的檢測(cè)方法是美國(guó)石油學(xué)會(huì)(簡(jiǎn)稱API)標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測(cè)方法，已沿用近一個(gè)世紀(jì)，檢測(cè)效率低、檢測(cè)準(zhǔn)確性依賴于檢測(cè)人員操作熟練程度。2019年7月1日已經(jīng)實(shí)施的API Spec 5B：2017[1]新標(biāo)準(zhǔn)中螺紋檢驗(yàn)項(xiàng)目增加1倍，使得螺紋檢驗(yàn)量大幅增加，進(jìn)而導(dǎo)致企業(yè)檢驗(yàn)成本劇增。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，在油井管制造企業(yè)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化也極大的提高了生產(chǎn)率和工作效率，但螺紋傳統(tǒng)檢測(cè)方法及質(zhì)量管理體制和自動(dòng)化生產(chǎn)的矛盾卻日益突出，如何提高檢測(cè)效率成為各大石油管加工企業(yè)迫在眉睫的問題?；谝陨蠁栴}，石油管工程技術(shù)研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)合作開發(fā)了數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)。

1 數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)綜合應(yīng)用電感測(cè)量技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用分析等先進(jìn)技術(shù)，是一套集產(chǎn)品檢測(cè)方案、生產(chǎn)測(cè)量、質(zhì)量控制一體化的石油管數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了石油管螺紋檢測(cè)設(shè)計(jì)、檢測(cè)執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評(píng)價(jià)和質(zhì)量管理全過程的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化[2]。

2 數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

本系統(tǒng)的數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理是將API Spec 5B：2017標(biāo)準(zhǔn)推薦的石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)測(cè)量方法與數(shù)字化測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，采用基于電感式傳感器的測(cè)微機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，從而完成螺紋錐度、螺距、螺紋牙型高度、牙頂高度、螺紋頂徑、橢圓度以及緊密距等全部參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果評(píng)價(jià)。

2.1 總體設(shè)計(jì)

數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成包括：數(shù)字化石油螺紋單參數(shù)及幾何尺寸測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)、基于射頻原理的無線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、ORACLE/SQL/DB2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和ORACLE/SQL/DB2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[3]。典型的基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腃#高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言在Microsoft .win10環(huán)境下開發(fā)，建立基于網(wǎng)絡(luò)，集產(chǎn)品檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)、檢測(cè)過程執(zhí)行與管理、產(chǎn)品質(zhì)量分析一體化的數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將螺紋單項(xiàng)參數(shù)測(cè)量?jī)x連接起來，實(shí)現(xiàn)石油管產(chǎn)品檢測(cè)任務(wù)規(guī)劃、測(cè)量執(zhí)行、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及分析、產(chǎn)品質(zhì)量分析。數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要功能模塊包括:1)用戶管理模塊，2)量具管理模塊，3)合同管理模塊，4)質(zhì)量檢測(cè)方案管理模塊，5)測(cè)量作業(yè)模塊，6)檢測(cè)報(bào)告管理模塊，7)基于SPC的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析模塊。上述模塊中質(zhì)量檢測(cè)方案管理模塊、測(cè)量作業(yè)模塊和檢測(cè)報(bào)告管理模塊通常需要針對(duì)具體的用戶做個(gè)性化定制開發(fā)。

2.2.1 量具管理

量具管理模塊在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，用戶通過量具管理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量具的動(dòng)態(tài)管理，檢測(cè)系統(tǒng)在交付用戶前，根據(jù)客戶的需求，需要做量具和軟件的物理地址綁定，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于后續(xù)生產(chǎn)測(cè)量環(huán)節(jié)，檢驗(yàn)員不需要按照規(guī)定檢驗(yàn)順序去逐項(xiàng)檢驗(yàn)，而是任意拿起(激活)一件量具按照規(guī)定動(dòng)作完成檢驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的檢測(cè)，軟硬件實(shí)現(xiàn)了智能匹配，如圖2所示，這在生產(chǎn)線巡檢以及質(zhì)量抽檢方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。另外，對(duì)量具的檢定校準(zhǔn)管理，一方面可以提醒用戶定期檢定校準(zhǔn)在用量具，一方面還可以通過校準(zhǔn)證書的管理通過算法關(guān)聯(lián)到生產(chǎn)測(cè)量模塊中具體的檢測(cè)項(xiàng)目，尤其是環(huán)塞規(guī)檢驗(yàn)螺紋接頭緊密距時(shí)，把校準(zhǔn)證書中的新值補(bǔ)償給環(huán)塞規(guī)，凸顯檢測(cè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的管控。

圖2 數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件智能匹配

2.2.2 測(cè)量作業(yè)

通過合同管理模塊確定具體的合同內(nèi)容，再根據(jù)合同技術(shù)要求自動(dòng)匹配合適的質(zhì)量控制方案，例如檢驗(yàn)的參數(shù)類別、公差范圍、檢驗(yàn)比例等。為了便于檢驗(yàn)員更好地操作量具，在激活任一量具后，軟件會(huì)彈出該檢測(cè)項(xiàng)目的操作視頻，從而降低誤操作的可能性。經(jīng)過大量的市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)密封面直徑測(cè)量(僅對(duì)特殊螺紋而言)和螺紋接頭頂徑測(cè)量，對(duì)石油管制造企業(yè)，通常是100%檢驗(yàn)，屬于高頻操作，因此對(duì)該項(xiàng)目的檢驗(yàn)流程、算法的優(yōu)化非常重要，通過大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，系統(tǒng)提供了4點(diǎn)法和6點(diǎn)法，兩種測(cè)量方式供用戶選擇，如圖3所示。從圖4分析得出以上兩種方式測(cè)得的螺紋平均頂徑與180°掃描法測(cè)量算得的螺紋平均頂徑基本一致，可替代掃描法，從而提高該項(xiàng)目的檢測(cè)效率。

圖3 米字測(cè)量法和六點(diǎn)測(cè)量法

本文另提供了一套優(yōu)化測(cè)量方法，利用頂徑測(cè)量?jī)x對(duì)待測(cè)外螺紋頂徑在任意一個(gè)方向(一般為水平位置，這樣操作符合人工操作習(xí)慣)上進(jìn)行測(cè)量后，逆時(shí)針或順時(shí)針進(jìn)行45°的轉(zhuǎn)動(dòng)后進(jìn)行第二次測(cè)量，然后再逆時(shí)針或順時(shí)針(轉(zhuǎn)動(dòng)順序與前步驟一致)的45°轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行第三次測(cè)量，加入特定算法(一種石油管外螺紋頂徑測(cè)量?jī)x及方法，發(fā)明專利受理號(hào)：201911316023.2)可得到最大頂徑A和最小頂徑B。

圖4 不同測(cè)量方法之間平均頂徑偏差測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)

米字測(cè)量法得到的平均頂徑偏差與全圓周測(cè)量得到的平均頂徑偏差比較得出，兩者相差在±0.001 in之內(nèi)個(gè)數(shù)為31組。六點(diǎn)測(cè)量法得到的平均頂徑偏差與全圓周測(cè)量得到的平均頂徑偏差比較得出，兩者相差在±0.001 in之內(nèi)個(gè)數(shù)為35組。優(yōu)化測(cè)量法得到的平均頂徑與全圓周測(cè)量得到的平均頂徑偏差比較，兩者相差在±0.001 in之內(nèi)個(gè)數(shù)為36組。與米字測(cè)量和六點(diǎn)測(cè)量法相比，優(yōu)化測(cè)量法在測(cè)量精度的情況下，并提升了測(cè)量效率，比對(duì)結(jié)果見表1。

表1 測(cè)量?jī)?yōu)化后的效率及精度

2.2.3 檢測(cè)報(bào)告輸出

因每家客戶的質(zhì)量管理體系及生產(chǎn)質(zhì)量控制方案均有所差異，為滿足客戶需求，檢測(cè)報(bào)告我們可以根據(jù)客戶要求定制開發(fā)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研檢測(cè)報(bào)告可以分為3類2種，分別為：過程檢測(cè)報(bào)告、巡檢檢測(cè)報(bào)告、成品檢測(cè)報(bào)告、當(dāng)班檢測(cè)報(bào)告及匯總檢測(cè)報(bào)告，我們可以根據(jù)系統(tǒng)使用工序不同，定制開發(fā)輸出對(duì)應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告。

檢測(cè)報(bào)告的分級(jí)確認(rèn)流程設(shè)計(jì)功能，若客戶不需要檢測(cè)報(bào)告確認(rèn)流程時(shí)，檢測(cè)報(bào)告可以直接生成PDF模式，用于后期的是審核或交付；若客戶需要檢測(cè)報(bào)告確認(rèn)流程時(shí)，當(dāng)班次檢測(cè)完成后，提交至相關(guān)審批人員，審批人員點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕完成審批、確認(rèn)、簽字環(huán)節(jié)后生成PDF模式，用于后期的審核或交付。

檢測(cè)報(bào)告的數(shù)據(jù)是按照逐根實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)庫(kù)的模式生成，用戶可以隨時(shí)查看、打印檢測(cè)報(bào)告。

2.3 大數(shù)據(jù)分析及質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)，利用SPC分析法，對(duì)螺紋生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)控，它能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[4]，根據(jù)反饋信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)因素出現(xiàn)的征兆，并采取措施消除影響，使過程維持在僅受隨機(jī)影響的受控狀態(tài)，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。

用戶可以根據(jù)不同需求，按照篩選條件查看不同項(xiàng)目的分析圖形，篩選條件包括：螺紋類型、扣型、規(guī)格/外徑、壁厚、鋼級(jí)、合同號(hào)、檢測(cè)項(xiàng)、機(jī)臺(tái)號(hào)、班組；用戶可以隨機(jī)組合產(chǎn)生IX-MR(單值移動(dòng)極差圖)、Xbar-R(均值極差圖)、Xbar-s(均值標(biāo)準(zhǔn)差圖)、P(用于可變樣本量的不合格品率)、Np(用于固定樣本量的不合格品數(shù))、u(用于可變樣本量的單位缺陷數(shù))、c(用于固定量的缺陷數(shù))等7種控制圖[5]，利用八項(xiàng)判異準(zhǔn)則[6]，將信息預(yù)警反饋給企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理人員。

在實(shí)際螺紋檢測(cè)作業(yè)過程中，采用的單項(xiàng)參數(shù)質(zhì)量曲線圖和預(yù)警燈雙重預(yù)警模式，確保產(chǎn)品加工質(zhì)量，單項(xiàng)參數(shù)質(zhì)量曲線圖可以將趨勢(shì)提前反饋給數(shù)控機(jī)床操作人員，便于提前采取措施，降低企業(yè)成本；預(yù)警燈采用無線雙向通訊模式，當(dāng)參數(shù)不合格時(shí)，報(bào)警燈變?yōu)榧t色，來強(qiáng)制操作人員人為干預(yù)處理，保證不合格品不會(huì)產(chǎn)生非預(yù)期流轉(zhuǎn)。

3 數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量驗(yàn)證

數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)屬于檢測(cè)儀器設(shè)備，因此應(yīng)開展重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)，并且因石油螺紋目前基本執(zhí)行的是API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)還需同時(shí)滿足API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺紋檢測(cè)儀器計(jì)量特性要求。

以外螺紋錐度測(cè)量?jī)x穩(wěn)定性試驗(yàn)為例，如圖5所示，間隔1周連續(xù)51次測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001 14 in。以齒高測(cè)量?jī)x重復(fù)性試驗(yàn)為例，如圖6所示，經(jīng)短時(shí)間連續(xù)10次測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)極差為0.000 1 in。從重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析，檢測(cè)系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重復(fù)性和穩(wěn)定性的要求。

圖5 外螺紋錐度測(cè)量?jī)x穩(wěn)定性試驗(yàn)

圖6 齒高測(cè)量?jī)x重復(fù)性試驗(yàn)

對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中所有測(cè)量?jī)x，選取適應(yīng)的夾具工裝在全自動(dòng)指示表檢定儀上，依據(jù)國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1063—2000《石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)檢查儀》進(jìn)行全量程范圍內(nèi)校準(zhǔn)，與對(duì)應(yīng)的機(jī)械式測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)結(jié)果比對(duì)見表2。從表中可看出，數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)滿足國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范要求，且示值偏差和重復(fù)性等計(jì)量特性均優(yōu)于現(xiàn)有的機(jī)械式測(cè)量?jī)x。

表2 數(shù)字化測(cè)量?jī)x與機(jī)械式測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)結(jié)果比對(duì) mm

4 結(jié)論及建議

數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)可完全替代現(xiàn)有機(jī)械式石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)儀器，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其計(jì)量特性要求。本項(xiàng)目應(yīng)用在油井管生產(chǎn)企業(yè)油套管生產(chǎn)線上可基本形成數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ较颉皵?shù)字化、自動(dòng)化、智慧化”的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降纳?jí)換代。

建議盡快對(duì)國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1063—2000《石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)檢查儀》進(jìn)行修訂，增加數(shù)字化石油螺紋檢測(cè)系統(tǒng)用測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)項(xiàng)目，確保新的檢測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確溯源至國(guó)家長(zhǎng)度基準(zhǔn)。