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        抽油泵螺紋量規(guī)技術(shù)參數(shù)及校準方法研究

        2021-07-07 02:20:34艾裕豐白小亮南靈燕李光峰
        石油管材與儀器 2021年3期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品

        馮 娜,艾裕豐,白小亮,南靈燕,李光峰

        (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 陜西 西安 710018)

        0 引 言

        抽油泵是由抽油機作為動力將井內(nèi)原油舉升到地面的井下裝置。作為抽油機采油系統(tǒng)的重要組成部分,抽油泵在采油工程中發(fā)揮著重要作用。桿式抽油泵適合于在深井中使用,整體隨抽油桿下入油管內(nèi)的預(yù)定位置固定并密封,具有檢泵時不需起下油管,作業(yè)方便,減少油管的上卸扣操作,延長油管的使用壽命的優(yōu)點。隨著石油天然氣勘探的發(fā)展,常規(guī)桿式抽油泵已成為國內(nèi)油田主要的采油方式之一。桿式抽油泵主要依據(jù)API Spec 11AX-2015《地下桿式抽油泵及其配件規(guī)范》和GB/T 18607-2017《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備往復(fù)式整筒抽油泵》(等同采用API標準)。標準中僅給出了產(chǎn)品螺紋的公差要求,沒有包含螺紋量規(guī)規(guī)范,無法從這兩個標準中獲取對抽油泵螺紋量規(guī)的各項參數(shù)和公差要求?;诓煌O(shè)計依據(jù)設(shè)計的抽油泵螺紋量規(guī)存在較大差異,導(dǎo)致抽油泵螺紋產(chǎn)品檢驗時爭議時有發(fā)生,為更好解決這一問題,對抽油泵螺紋量規(guī)技術(shù)參數(shù)及校準方法開展研究具有重要意義。

        1 抽油泵螺紋產(chǎn)品公差計算

        由于石油工業(yè)對安全的特殊要求,石油工業(yè)專用螺紋精度要求較高。抽油泵螺紋和套管、油管、鉆桿、鉆鋌等產(chǎn)品使用錐管螺紋不同,抽油泵上大量使用的螺紋是一種直螺紋,為統(tǒng)一螺紋(用UN表示)3A-3B級精度。為保證螺紋零件的互換性,根據(jù)公差和容隙的大小,統(tǒng)一螺紋規(guī)定了6個不同的螺紋等級,精度級別如圖1所示。3A級外螺紋和3B級內(nèi)螺紋用于螺紋配合的松緊度和螺距、半角的精度要求較高的情況。

        圖1 統(tǒng)一螺紋精度級別

        API Spec 11AX—2015《地下桿式抽油泵及其配件規(guī)范》規(guī)定的抽油泵螺紋螺距為每英寸10牙、11.5牙、14牙,16牙,外徑從0.750 0~4.238 0 in(1 in=25.4mm),共34個規(guī)格。其中19個規(guī)格是是特殊直徑的統(tǒng)一螺紋,每英寸11.5牙的抽油泵螺紋是非標準直徑—螺距組合的特殊統(tǒng)一螺紋。正常的統(tǒng)一螺紋內(nèi)螺紋產(chǎn)品中徑公差是外螺紋的1.3倍。API Spec 11AX—2015和GB/T 18607—2017中的抽油泵內(nèi)螺紋產(chǎn)品中徑公差與外螺紋中徑公差數(shù)值相同。

        為了進行抽油泵螺紋量規(guī)研究,首先需要確定抽油泵螺紋產(chǎn)品的公差范圍。抽油泵螺紋產(chǎn)品公差范圍見表1。

        表1 抽油泵螺紋產(chǎn)品幾何尺寸

        2 抽油泵螺紋量規(guī)的差異

        1948年11月18日加拿大、英國和美國標準化機構(gòu)的代表在華盛頓簽訂協(xié)議,由此產(chǎn)生了統(tǒng)一螺紋。中國在加入 WTO以前沒有制定統(tǒng)一螺紋國家標準,加入 WTO 以后,隨著國內(nèi)市場不斷地對外開放,沒有統(tǒng)一螺紋國家標準的問題變得更加嚴重和突出。2006 年,中國頒布了統(tǒng)一螺紋的標準。螺紋代號中采用字母A表示外螺紋,公差取負值,以基本尺寸為準向小于基本尺寸的方向規(guī)定;采用字母B表示內(nèi)螺母,公取差正值,以基本尺寸為準向大于基本尺寸的方向規(guī)定。

        中國在螺紋檢驗方面采用的體系與美國不同,其差異見表2。美國統(tǒng)一螺紋量規(guī)主要依據(jù)ASME B1.2—1983(R2017)《統(tǒng)一螺紋的量規(guī)和測量》;中國統(tǒng)一螺紋量規(guī)主要依據(jù)JB/T 10865—2008《統(tǒng)一螺紋量規(guī)》。美國采用可調(diào)式螺紋環(huán)規(guī),如圖2所示,用2件W級截短牙頂抽油泵校對塞規(guī)調(diào)整螺紋環(huán)規(guī),環(huán)規(guī)需要同時在完整牙型部分和截短牙型部分校對[1]。中國采用固定式螺紋環(huán)規(guī),如圖3所示,用一組6件校對塞規(guī)控制螺紋環(huán)規(guī)的尺寸。

        表2 中國與美國抽油泵螺紋量規(guī)體系差異

        圖2 可調(diào)式抽油泵螺紋環(huán)規(guī)

        圖3 固定式抽油泵螺紋環(huán)規(guī)

        3 抽油泵螺紋產(chǎn)品檢驗發(fā)生誤判的概率

        美國標準ASME B1.2-1983的螺紋環(huán)規(guī)沒有磨損限,中國機械行業(yè)標準JB/T 10865—2008的螺紋環(huán)規(guī)有磨損限。為了使中國行業(yè)標準檢驗結(jié)果與美國標準的檢驗結(jié)果盡可能達到一致,行業(yè)標準比米制普通螺紋量規(guī)標準GB/T 3934—2003在精度方面有較大的提高[2-3]。陜西航空宏峰精密機械工具有限責(zé)任公司標準是按照米制普通螺紋量規(guī)標準GB/T 3934—2003設(shè)計的,量規(guī)公差偏大。選取0.750 0-10UNS規(guī)格的統(tǒng)一螺紋為研究對象,其產(chǎn)品外螺紋中徑下線為17.287 mm,其產(chǎn)品外螺紋中徑上限為17.399 mm。工作環(huán)規(guī)中徑公差如圖4所示,各種標準體系下該規(guī)格的抽油泵螺紋量規(guī)中徑公差分布見表3。

        圖4 0.750 0-10UNS規(guī)格抽油泵外螺工作環(huán)規(guī)公差

        表3 0.750 0-10UNS規(guī)格抽油泵外螺紋及其量規(guī)中徑公差 mm

        為求得各種體系螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗抽油泵螺紋產(chǎn)品發(fā)生誤判的概率,運用概率統(tǒng)計相關(guān)知識進行研究。假設(shè)抽油泵螺紋產(chǎn)品中徑公差服從正態(tài)分布,為X~N1(μ1,σ12),產(chǎn)品中徑中間值為數(shù)學(xué)期望μ1,公差范圍的一半大小為3σ1;抽油泵螺紋量規(guī)中徑公差分布為Y~N2(μ2,σ22),量規(guī)中徑中間值為數(shù)學(xué)期望μ2,公差范圍的一半大小為3σ2。構(gòu)造統(tǒng)計量T=Y-X,則可求T≤0的概率。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)知識,T~N(μ2-μ1,σ12+σ22+2rσ1σ2),由于X與Y相互獨立,則r=0,因此T~N(μ2-μ1,σ12+σ22);P (T≤0) =FT (0)。

        ASME B1.13螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗合格的產(chǎn)品外螺紋一定合格,存在把合格產(chǎn)品誤判為不合格的可能性,其概率為0.002 8。JB/T 10865螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗后合格的產(chǎn)品最小中徑不一定合格,其概率為0.007;存在檢驗后最大中徑合格的產(chǎn)品誤判為不合格的可能性,其概率為0.004 3。GB/T 3934螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗后合格的產(chǎn)品小最小中徑、最小大徑均存在不合格的可能性,最大中徑檢驗合格實際不合格的概率為0.001 5;最小中徑檢驗合格實際不合格的概率為0.000 4。

        4 抽油泵螺紋量規(guī)校準方法

        隨著校準技術(shù)的發(fā)展,1臺儀器設(shè)備可以完成多項參數(shù)的校準,抽油泵螺紋量規(guī)校準的計量標準及配套設(shè)備的選用見表4。

        表4 抽油泵螺紋量規(guī)校準計量標準及配套設(shè)備的選用

        使用螺紋掃描儀進行抽油泵螺紋量規(guī)校準,實際上是基于量規(guī)的端面進行定位,測量定位要求塞規(guī)具有精確的頂尖孔,其測量效率高。完成1件抽油泵螺紋量規(guī)校準通常在3 min內(nèi),測量結(jié)果直觀,測量重復(fù)性好,但是測量直徑受限,外徑超過100 mm,即適合校準規(guī)格為0.750 0-10 UNS 3A~3.238 0-11.5 UNS 3A的所有抽油泵螺紋量規(guī)。

        使用三坐標測量機進行抽油泵量規(guī)校準,是基于量規(guī)的作用中徑進行定位,螺紋塞規(guī)校準夾持和定位時無需頂尖孔。其測量精度高于螺紋掃描儀,但是測量效率相對較低,校準1件抽油螺紋塞規(guī)通常需要7 min。三坐標測量機由于星形測頭占據(jù)空間較大,無法測量部分小規(guī)格的抽油泵螺紋環(huán)規(guī)。如不使用掃描測量方法,也無法得到螺紋牙側(cè)角參數(shù)。

        使用測長儀進行抽油泵螺紋量規(guī)大徑、中徑校準和利用輪廓儀進行抽油泵螺紋量規(guī)牙測角校準時,是基于量規(guī)的大徑進行定位,其測量結(jié)果的準確度受到各牙大徑加工精度的影響。輪廓測量儀僅能校準抽油泵螺紋量規(guī)的牙側(cè)角和螺距參數(shù),無法校準抽油泵螺紋量規(guī)的大徑、中徑參數(shù)。應(yīng)用測長儀和輪廓儀,精度高,效率低,可用于不合格產(chǎn)品復(fù)驗。

        5 結(jié) 論

        1)抽油泵螺紋是屬于特殊直徑或非標準的直徑—螺距組合的特殊統(tǒng)一螺紋,公差級別為3A-3B級。

        2)由于設(shè)計依據(jù)不同,美國和中國抽油泵螺紋量規(guī)結(jié)構(gòu)形式存在較大差異,美國螺紋工作環(huán)規(guī)為可調(diào)式,用2件校對塞規(guī)確定其中徑尺寸是否符合要求,中國螺紋工作環(huán)規(guī)為固定式,用6件校對塞規(guī)確定其中徑尺寸是否符合要求。

        3)ASME B1.13螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗合格的產(chǎn)品外螺紋一定合格,中國螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗合格的產(chǎn)品外螺紋不一定合格。通過構(gòu)造抽油泵螺紋和螺紋量規(guī)的分布函數(shù),進行概率計算可得到各種螺紋工作環(huán)規(guī)檢驗抽油泵螺紋產(chǎn)品發(fā)生誤判的各種概率。

        4)抽油泵螺紋量規(guī)校準有基于端面、大徑、中徑定位方式等多種方法,需結(jié)合校準設(shè)備自身特點、校準目的、校準效率選取合適的校準方法。

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