白小亮，劉 釗，張?zhí)镌?，?志 ，何 坤，李 群

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.長慶油田分公司物資供應(yīng)處(物資管理部) 陜西 西安 710021；3.寶雞石油機械有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721000；4.西安泰銳精密機械科技有限公司 陜西 西安 710300；5.長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)檢驗就顯得尤為重要。目前石油螺紋的檢測方法是美國石油學(xué)會(簡稱API)標準要求的檢測方法，已沿用近一個世紀，檢測效率低、檢測準確性依賴于檢測人員操作熟練程度。2019年7月1日已經(jīng)實施的API Spec 5B：2017[1]新標準中螺紋檢驗項目增加1倍，使得螺紋檢驗量大幅增加，進而導(dǎo)致企業(yè)檢驗成本劇增。隨著工業(yè)自動化水平的提高，在油井管制造企業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化也極大的提高了生產(chǎn)率和工作效率，但螺紋傳統(tǒng)檢測方法及質(zhì)量管理體制和自動化生產(chǎn)的矛盾卻日益突出，如何提高檢測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)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)。

1 數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)綜合應(yīng)用電感測量技術(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)計與應(yīng)用分析等先進技術(shù)，是一套集產(chǎn)品檢測方案、生產(chǎn)測量、質(zhì)量控制一體化的石油管數(shù)字化檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了石油管螺紋檢測設(shè)計、檢測執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評價和質(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)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)的開發(fā)

本系統(tǒng)的數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)測量原理是將API Spec 5B：2017標準推薦的石油螺紋單項參數(shù)測量方法與數(shù)字化測量技術(shù)相結(jié)合，采用基于電感式傳感器的測微機構(gòu)，實現(xiàn)點位測量和數(shù)據(jù)采集，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式將測量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫平臺，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)字化測量、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果評價。

2.1 總體設(shè)計

數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)基本構(gòu)成包括：數(shù)字化石油螺紋單參數(shù)及幾何尺寸測量儀器系統(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)庫管理系統(tǒng)和ORACLE/SQL/DB2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[3]。典型的基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)示意圖

2.2 軟件設(shè)計開發(fā)

數(shù)字化石油螺紋檢測軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腃#高級程序設(shè)計語言在Microsoft .win10環(huán)境下開發(fā)，建立基于網(wǎng)絡(luò)，集產(chǎn)品檢測工藝設(shè)計、檢測過程執(zhí)行與管理、產(chǎn)品質(zhì)量分析一體化的數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將螺紋單項參數(shù)測量儀連接起來，實現(xiàn)石油管產(chǎn)品檢測任務(wù)規(guī)劃、測量執(zhí)行、測量數(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)量檢測方案管理模塊，5)測量作業(yè)模塊，6)檢測報告管理模塊，7)基于SPC的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析模塊。上述模塊中質(zhì)量檢測方案管理模塊、測量作業(yè)模塊和檢測報告管理模塊通常需要針對具體的用戶做個性化定制開發(fā)。

2.2.1 量具管理

量具管理模塊在整個檢測系統(tǒng)中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，用戶通過量具管理可以實現(xiàn)對量具的動態(tài)管理，檢測系統(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)點在于后續(xù)生產(chǎn)測量環(huán)節(jié)，檢驗員不需要按照規(guī)定檢驗順序去逐項檢驗，而是任意拿起(激活)一件量具按照規(guī)定動作完成檢驗即可實現(xiàn)對應(yīng)項目的檢測，軟硬件實現(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)勢更為明顯。另外，對量具的檢定校準管理，一方面可以提醒用戶定期檢定校準在用量具，一方面還可以通過校準證書的管理通過算法關(guān)聯(lián)到生產(chǎn)測量模塊中具體的檢測項目，尤其是環(huán)塞規(guī)檢驗螺紋接頭緊密距時，把校準證書中的新值補償給環(huán)塞規(guī)，凸顯檢測對產(chǎn)品質(zhì)量的管控。

圖2 數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)軟硬件智能匹配

2.2.2 測量作業(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)要求自動匹配合適的質(zhì)量控制方案，例如檢驗的參數(shù)類別、公差范圍、檢驗比例等。為了便于檢驗員更好地操作量具，在激活任一量具后，軟件會彈出該檢測項目的操作視頻，從而降低誤操作的可能性。經(jīng)過大量的市場調(diào)研，對密封面直徑測量(僅對特殊螺紋而言)和螺紋接頭頂徑測量，對石油管制造企業(yè)，通常是100%檢驗，屬于高頻操作，因此對該項目的檢驗流程、算法的優(yōu)化非常重要，通過大量的檢測數(shù)據(jù)驗證，系統(tǒng)提供了4點法和6點法，兩種測量方式供用戶選擇，如圖3所示。從圖4分析得出以上兩種方式測得的螺紋平均頂徑與180°掃描法測量算得的螺紋平均頂徑基本一致，可替代掃描法，從而提高該項目的檢測效率。

圖3 米字測量法和六點測量法

本文另提供了一套優(yōu)化測量方法，利用頂徑測量儀對待測外螺紋頂徑在任意一個方向(一般為水平位置，這樣操作符合人工操作習(xí)慣)上進行測量后，逆時針或順時針進行45°的轉(zhuǎn)動后進行第二次測量，然后再逆時針或順時針(轉(zhuǎn)動順序與前步驟一致)的45°轉(zhuǎn)動進行第三次測量，加入特定算法(一種石油管外螺紋頂徑測量儀及方法，發(fā)明專利受理號：201911316023.2)可得到最大頂徑A和最小頂徑B。

圖4 不同測量方法之間平均頂徑偏差測量數(shù)據(jù)比對

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

表1 測量優(yōu)化后的效率及精度

2.2.3 檢測報告輸出

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，檢測報告我們可以根據(jù)客戶要求定制開發(fā)，根據(jù)市場調(diào)研檢測報告可以分為3類2種，分別為：過程檢測報告、巡檢檢測報告、成品檢測報告、當班檢測報告及匯總檢測報告，我們可以根據(jù)系統(tǒng)使用工序不同，定制開發(fā)輸出對應(yīng)的檢測報告。

檢測報告的分級確認流程設(shè)計功能，若客戶不需要檢測報告確認流程時，檢測報告可以直接生成PDF模式，用于后期的是審核或交付；若客戶需要檢測報告確認流程時，當班次檢測完成后，提交至相關(guān)審批人員，審批人員點擊確認按鈕完成審批、確認、簽字環(huán)節(jié)后生成PDF模式，用于后期的審核或交付。

檢測報告的數(shù)據(jù)是按照逐根實時上傳數(shù)據(jù)庫的模式生成，用戶可以隨時查看、打印檢測報告。

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

數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)，利用SPC分析法，對螺紋生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)實施監(jiān)控，它能對生產(chǎn)過程進行分析評價[4]，根據(jù)反饋信息及時發(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影響的受控狀態(tài)，以達到控制質(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、合同號、檢測項、機臺號、班組；用戶可以隨機組合產(chǎn)生IX-MR(單值移動極差圖)、Xbar-R(均值極差圖)、Xbar-s(均值標準差圖)、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]，利用八項判異準則[6]，將信息預(yù)警反饋給企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理人員。

在實際螺紋檢測作業(yè)過程中，采用的單項參數(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，單項參數(shù)質(zhì)量曲線圖可以將趨勢提前反饋給數(shù)控機床操作人員，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，當參數(shù)不合格時，報警燈變?yōu)榧t色，來強制操作人員人為干預(yù)處理，保證不合格品不會產(chǎn)生非預(yù)期流轉(zhuǎn)。

3 數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)測量驗證

數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)屬于檢測儀器設(shè)備，因此應(yīng)開展重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗，并且因石油螺紋目前基本執(zhí)行的是API相關(guān)標準，數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)還需同時滿足API標準對螺紋檢測儀器計量特性要求。

以外螺紋錐度測量儀穩(wěn)定性試驗為例，如圖5所示，間隔1周連續(xù)51次測試，檢測數(shù)據(jù)試驗標準偏差為0.001 14 in。以齒高測量儀重復(fù)性試驗為例，如圖6所示，經(jīng)短時間連續(xù)10次測試，檢測數(shù)據(jù)極差為0.000 1 in。從重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗結(jié)果分析，檢測系統(tǒng)滿足標準對重復(fù)性和穩(wěn)定性的要求。

圖5 外螺紋錐度測量儀穩(wěn)定性試驗

圖6 齒高測量儀重復(fù)性試驗

對檢測系統(tǒng)中所有測量儀，選取適應(yīng)的夾具工裝在全自動指示表檢定儀上，依據(jù)國家校準規(guī)范JJF 1063—2000《石油螺紋單項參數(shù)檢查儀》進行全量程范圍內(nèi)校準，與對應(yīng)的機械式測量儀校準結(jié)果比對見表2。從表中可看出，數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)滿足國家校準規(guī)范要求，且示值偏差和重復(fù)性等計量特性均優(yōu)于現(xiàn)有的機械式測量儀。

表2 數(shù)字化測量儀與機械式測量儀校準結(jié)果比對 mm

4 結(jié)論及建議

數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)可完全替代現(xiàn)有機械式石油螺紋單項參數(shù)檢測儀器，滿足產(chǎn)品標準中對其計量特性要求。本項目應(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)字化石油螺紋檢測能力，實現(xiàn)由傳統(tǒng)檢驗?zāi)Ｊ较颉皵?shù)字化、自動化、智慧化”的檢驗?zāi)Ｊ降纳墦Q代。

建議盡快對國家校準規(guī)范JJF 1063—2000《石油螺紋單項參數(shù)檢查儀》進行修訂，增加數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)用測量儀校準項目，確保新的檢測系統(tǒng)可準確溯源至國家長度基準。