劉　浩　黨養(yǎng)正　李文娟　付　瑩

(1.陜西省計量科學研究院，西安 710065；2.陜西省寶雞市寶雞石油機械有限責任公司，寶雞 721000)

0　引言

隨著國內外油田打井深度不斷加深，斜井、水平井等鉆井技術已普遍應用，高強度螺紋連接的套管已成為國內外各大油田的急需產品之一，在API Spec 5B標準中，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，但連接強度更好，近年來廣受油田用戶的青睞。在實際工作中，套管螺紋的連結部分因為其受力條件較管體更為惡劣,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到足夠的抗拉伸失效強度、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)對管子或接箍的質量進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)校準規(guī)范中，也加入了對偏梯形套管螺紋量規(guī)的測量內容。

偏梯形套管螺紋由于不使用中徑位置進行密封，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行密封[2]，因此加工及測量其螺紋量規(guī)時不對其中徑進行控制，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)結構參數(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，使用坐標機在牙頂面上的任何地方測量大徑圓錐進行擬合計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)，其設計的結構形式與16英寸以下的偏梯形套管螺紋量規(guī)有所不同，結構形式如圖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°牙側面交點處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，這樣雖然也可以實現(xiàn)測量，但是所引入的計算量將十分巨大，在現(xiàn)實生產中和計量校準工作中難以推廣。本文介紹一種較為簡單的測量方法，可以使用坐標機通過兩次迭代測量比較準確的得到塞規(guī)大徑圓錐的位置。步驟如下：

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

2)牙頂面任意位置采點，并沿螺距平移采集其他牙頂面上的點，將測量到的點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為基準，沿螺紋軸線方向平移2.54mm(1.27+1.27)，在螺紋牙底面采點，并沿螺距平移采集其他牙底面的點，擬合為最小二乘直線。

4)求此2條直線的對稱線，并與3°牙側面交于點A′。

5)以求出的A′點為基準，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。測量過程如圖2所示。

6)以此方法分別在其他母線位置進行測量，將所有測量點進行最小二乘擬合，即可得到“塞規(guī)大徑圓錐”，此時求出的大徑圓錐與5B標準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標準中的要求，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中的實線與虛線)，分別和3°牙側面交于點A1以及點A2，如圖3所示。

圖3　在牙頂面的極限位置上進行測量

A1點與A2點的垂直于螺紋軸線的坐標之差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之差ΔZ為

ΔZ=ΔX×tan(3°)=0.00307mm

(2)

又因為實際要求的中徑點A與實際測量出的對稱線與牙側面交點A′同時位于A1點與A2點之間，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。

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

4　驗證試驗及結論

使用蔡司CenterMax橋式坐標機，MPEe值為0.6+L/600μm，探測誤差P為0.2μm，實驗所抽樣的量規(guī)為日本黑田精工生產的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)復現(xiàn)性。

方法1)

對于每個牙槽，分別測量兩牙側面、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， 并記錄實測值， 然后使用繪圖軟件按照實測值繪圖，并按照標準中的標注建立約束，求解該牙槽牙頂面的測量點。求解

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

方法2)

使用文章中提及的方法進行測量，測量3次。實測值：501.3838、501.3819、501.3829。

結論：經過試驗證明，使用兩種方法測值的結果基本一致，數(shù)據(jù)復現(xiàn)性較好，因此使用此方法對小端大徑進行測量是非?？煽康摹?/p>

5　結束語

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測值造成比較大的影響，雖然標準中所標注的尺寸并不好對其具體位置進行計算，但是仔細觀察標準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準圖中標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， 薛梓.石油螺紋的檢驗.計量技術，2000(10)

[2]練章華，楊龍,等.套管偏梯形螺紋接頭泄漏機理的有限元分析.石油礦場機械,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量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1108-2012 石油螺紋工作量規(guī)校準規(guī)范,2012