石油管外螺紋頂徑及橢圓度的優(yōu)化測(cè)量方法*

白小亮，余志，張?zhí)镌疲钚?，劉釗，薛凱，李群

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 西安 721008；4.長(zhǎng)慶油田分公司物資供應(yīng)處，陜西 西安 710021；5.西安泰銳精密機(jī)械科技有限公司，陜西 西安 710300）

在石油管成型過程中，由于帶鋼在軋制過程中尺寸精度控制較差，產(chǎn)生了“月牙彎”，導(dǎo)致了成型縫不穩(wěn)定，形成錯(cuò)邊（或開縫）。為了盡可能消除錯(cuò)邊，就必須不斷地微調(diào)成型角來保證合適的成型縫，這就會(huì)引起管徑的波動(dòng)，同時(shí)形成了管體橢圓度[1]。因此實(shí)際的石油管不是理想的圓管，總存在著幾何缺陷，需要考慮分析石油管在不同橢圓度中的各種情況[2]，包括檢測(cè)螺紋接頭的各項(xiàng)參數(shù)。

外螺紋頂徑及橢圓度是石油管螺紋參數(shù)測(cè)量中非常重要的一項(xiàng)，美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布的API Spec 5B—2017《套管、油管和管線管螺紋加工、測(cè)量和檢驗(yàn)》增加了螺紋平均頂徑及橢圓度的公差要求[3]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定平均頂徑是指特定平面測(cè)量所得的頂徑最大值和最小值的算術(shù)平均值，也就是說對(duì)石油管螺紋參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要找到規(guī)定截面上螺紋的最大和最小頂徑。目前的石油管外螺紋最大和最小頂徑測(cè)量是通過人工操作儀器連續(xù)旋轉(zhuǎn)180°以上去尋找測(cè)量過程中的最大值和最小值，由于操作者的經(jīng)驗(yàn)不一，有時(shí)候需要操作多次才能找到外螺紋的最大頂徑和最小頂徑，整個(gè)測(cè)量過程用時(shí)較長(zhǎng)。

目前一般采用三針法、垂直投影法和顯微鏡影像法測(cè)量外螺紋中徑[4]。然而三針法不能直接讀取中徑，需要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，并且還需操作者同時(shí)調(diào)整三根測(cè)量針的位置，操作不便，很可能因?yàn)椴僮髁?xí)慣不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不同，誤差較大[5]。文獻(xiàn)［6］以設(shè)計(jì)非接觸式的、高效的、滿足API螺紋標(biāo)準(zhǔn)要求的外螺紋全參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為研究目標(biāo)，提出了一種新的基于機(jī)器視覺的螺紋測(cè)量方法。文獻(xiàn)［7］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)用分析等前沿技術(shù)，提出一套集產(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)。

1 優(yōu)化測(cè)量的設(shè)計(jì)思路及數(shù)學(xué)原理

在文獻(xiàn)［4-7］基礎(chǔ)上提出一種石油管外螺紋頂徑及橢圓度的優(yōu)化檢測(cè)方法[8]，利用測(cè)量值（測(cè)量截面上少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)）加優(yōu)化算法逼近測(cè)量截面的最大頂徑值和最小頂徑值。為達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)出一種外螺紋頂徑測(cè)量?jī)x，如圖1所示。外螺紋頂徑測(cè)量?jī)x測(cè)頭寬度為15.875 mm（0.625 in），接觸牙數(shù)為2～3牙，保證接觸穩(wěn)定性同時(shí)不影響測(cè)量。

圖1 外螺紋頂徑測(cè)量?jī)x示意

測(cè)頭采用觸發(fā)式測(cè)頭，測(cè)量時(shí)測(cè)頭與螺紋測(cè)量點(diǎn)接觸，觸發(fā)力克服彈簧預(yù)緊力后，測(cè)頭出現(xiàn)微量偏移。觸點(diǎn)副中至少有一對(duì)脫開，使原本構(gòu)成的串聯(lián)電路出現(xiàn)斷路進(jìn)而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。儀器接收到觸發(fā)信號(hào)后，系統(tǒng)鎖存進(jìn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)束采集[9]。

角度測(cè)量?jī)x采用霍爾角度傳感器，霍爾角度傳感器背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時(shí)，霍爾角度傳感器產(chǎn)生電壓，電壓大小隨齒輪圓周上齒的位置的不同而發(fā)生改變，用這種方式制成的傳感器具有極優(yōu)的性能。

將石油管截面可看成橢圓，那么外螺紋平均頂徑測(cè)量可轉(zhuǎn)換為測(cè)量橢圓最大徑a和最小徑b。

先測(cè)量橢圓任意徑MM′，得到MM′=m，再逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)α角，測(cè)得NN′=n，再按照M的起始位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°測(cè)得PP′=p，PP′⊥MM′。外螺紋頂徑測(cè)量數(shù)學(xué)原理如圖2所示。

圖2 外螺紋頂徑測(cè)量數(shù)學(xué)原理

設(shè)橢圓上點(diǎn)的坐標(biāo)方程：X=acosθ，Y=bsinθ；設(shè)MM′的傾角為θ，則NN′傾角為θ+α，PP′傾角為θ+90°，帶入橢圓方程可得：

式中m，n，p——第一、二、三次測(cè)量的待測(cè)石油管外螺紋頂徑，mm；

α——第二次測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，（°）。

3個(gè)方程解3個(gè)未知數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得到a，b：

進(jìn)一步可令α=45°，則測(cè)量方法簡(jiǎn)化為：對(duì)石油管外螺紋頂徑在任意一個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量后，逆時(shí)針或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°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）轉(zhuǎn)動(dòng)45°進(jìn)行第三次測(cè)量，記錄3次測(cè)量值分別為m，n，p。

2 應(yīng)用實(shí)例

以一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)40組外徑為273.05 mm的偏梯形套管外螺紋進(jìn)行頂徑測(cè)量，采用米字測(cè)量法及六點(diǎn)測(cè)量法，測(cè)量位置如圖3所示。

圖3 米字測(cè)量法和六點(diǎn)測(cè)量法

用米字測(cè)量法將外螺紋位置1、位置2、位置3、位置4的頂徑測(cè)出后，比較得到4個(gè)值中的最大、最小頂徑偏差，計(jì)算出平均頂徑偏差，然后與全圓周測(cè)量得到的外螺紋平均頂徑偏差進(jìn)行比較，兩者差值在±0.025 4 mm之內(nèi)的為30組。

用六點(diǎn)測(cè)量法將位置1、位置2、位置3、位置4、位置5、位置6的頂徑測(cè)出后，比較得到6個(gè)值中的外螺紋最大、最小頂徑偏差，計(jì)算出外螺紋平均頂徑偏差，然后與全圓周測(cè)量得到的外螺紋平均頂徑偏差進(jìn)行比較，兩者差值在±0.025 4 mm之內(nèi)的為35組。

優(yōu)化測(cè)量法是將米字測(cè)量的位置1、位置2、位置3（3個(gè)點(diǎn)的位置與這里介紹的測(cè)量方法中的測(cè)量位置正好一致）的頂徑數(shù)據(jù)，通過介紹的計(jì)算方法計(jì)算出外螺紋平均頂徑偏差，與全圓周測(cè)量得到的外螺紋平均頂徑偏差進(jìn)行比較，兩者差值在±0.025 4 mm之內(nèi)的為36組。

米字測(cè)量法、六點(diǎn)測(cè)量法、優(yōu)化測(cè)量法得到的平均頂徑偏差與全圓周測(cè)量法得到的平均頂徑偏差比對(duì)如圖4所示。優(yōu)化測(cè)量后的效率及精度見表1。

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

表1 優(yōu)化測(cè)量后的效率及精度

3 結(jié)語

外螺紋接頭頂徑測(cè)量對(duì)石油管制造企業(yè)而言，通常是100%檢驗(yàn)，屬于高頻測(cè)量。因此該參數(shù)的檢驗(yàn)流程、算法的優(yōu)化非常重要，這里提出了一種石油管外螺紋頂徑的優(yōu)化測(cè)量方法，建立了頂徑測(cè)量幾何模型，介紹了優(yōu)化測(cè)量方法并推導(dǎo)出特定計(jì)算公式，僅3次測(cè)量即可逼近測(cè)量截面的最大頂徑值和最小頂徑值。最后通過實(shí)例與米字測(cè)量法、六點(diǎn)測(cè)量法、全圓周測(cè)量法比對(duì)，該優(yōu)化測(cè)量法在保證測(cè)量精度的情況下提升了測(cè)量效率，在石油管制造現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中可推廣使用，應(yīng)用前景廣闊。