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        五軸測(cè)量技術(shù)在石油管螺紋測(cè)量中的應(yīng)用

        2022-04-21 01:11:02白小亮樊治海張?zhí)镌?/span>馮娜劉濤徐雙
        工具技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:中徑測(cè)量機(jī)螺距

        白小亮,樊治海,張?zhí)镌?,馮娜,劉濤,徐雙

        1中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司;2寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司;3雷尼紹(上海)貿(mào)易有限公司

        1 引言

        用于勘探開發(fā)的油井管柱是由石油管用螺紋連接而成,深入地下可達(dá)數(shù)千米。油井管柱在地下長(zhǎng)時(shí)間承受各種載荷以及介質(zhì)的綜合作用,而螺紋連接部分是影響整個(gè)管柱連接強(qiáng)度和密封性的關(guān)鍵,同時(shí)也是最脆弱的部位。通過對(duì)歷年石油行業(yè)失效事故的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),80%以上的事故發(fā)生在螺紋連接處。因此,對(duì)石油管螺紋進(jìn)行全形貌測(cè)量并深入研究以得到管螺紋接頭的真實(shí)連接質(zhì)量,對(duì)石油行業(yè)管螺紋的設(shè)計(jì)及加工有非常重要的意義。本文對(duì)石油管螺紋的測(cè)量現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,提出了采用五軸坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量石油管螺紋的新方法。

        2 石油管螺紋測(cè)量

        為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的石油管螺紋制造和提升石油管螺紋的檢測(cè)技術(shù),需確保測(cè)量數(shù)據(jù)的高密度和準(zhǔn)確性,才能更好地調(diào)整螺紋的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量。目前行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的檢測(cè)方法主要包括制造廠內(nèi)檢測(cè)、第三方檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)三個(gè)環(huán)節(jié),測(cè)量石油管螺紋的檢測(cè)設(shè)備主要有單項(xiàng)參數(shù)測(cè)量?jī)x和檢驗(yàn)用工作量規(guī)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以在三維空間獲取被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到所需幾何尺寸。從2002年起,基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的石油管螺紋測(cè)量模塊被用于量規(guī)測(cè)量,促進(jìn)了石油管螺紋測(cè)量方法的發(fā)展[1]。

        石油管螺紋的檢測(cè)對(duì)檢測(cè)精度要求很高,檢測(cè)過程會(huì)涉及螺距、螺紋直徑(小徑、中徑等數(shù)據(jù))、齒高和錐度等螺紋參數(shù)的測(cè)量。以往對(duì)于中徑以及螺距兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量方法主要有三針法、垂直投影法和影像法。三針法是一種間接測(cè)量方法,需要根據(jù)被測(cè)螺紋的螺距以及牙型計(jì)算出最佳量針直徑,然后將三個(gè)量針放入螺紋溝槽中,通過千分尺測(cè)量出三針外表面跨距,最后通過公式計(jì)算出螺紋的中徑以及螺距[2]。在測(cè)量過程中,測(cè)針和螺紋牙側(cè)面需保持穩(wěn)定接觸,因此操作者的技能對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大。由于需要根據(jù)螺紋的理論螺距以及牙型角計(jì)算量針直徑,因此該方式并不適用于未知螺距及牙型角的螺紋測(cè)量。垂直投影法和影像法都是利用光線射入待檢測(cè)螺紋表面得到螺紋影像,通過精密儀器測(cè)量計(jì)算螺紋影像,得到螺紋中徑以及螺距,獲得的螺紋影像質(zhì)量由儀器和螺紋表面加工質(zhì)量決定,易產(chǎn)生誤差,且操作過程相對(duì)繁瑣。

        3 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在螺紋測(cè)量中的應(yīng)用

        3.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能

        在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間內(nèi),根據(jù)螺紋接頭結(jié)構(gòu)建立空間工件坐標(biāo)系,沿母線方向?qū)ρ佬兔孢M(jìn)行采點(diǎn)測(cè)量,可得到螺紋的中徑、螺距、齒寬和齒厚等參數(shù)。受三坐標(biāo)固定式測(cè)頭的限制,測(cè)量不同位置母線時(shí)需要使用不同角度的測(cè)針[3],且三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的最佳掃描速度受機(jī)器動(dòng)態(tài)變化限制,最大測(cè)量速度通常被限制為10~25mm/s。這是因?yàn)樽鴺?biāo)測(cè)量機(jī)的非線性運(yùn)動(dòng)過程中加減速會(huì)造成機(jī)器結(jié)構(gòu)扭曲和偏轉(zhuǎn),這些動(dòng)態(tài)偏移導(dǎo)致測(cè)量誤差隨測(cè)量速度和加速度的增大而變大。

        3.2 五軸測(cè)量機(jī)的功能

        如圖1所示,五軸測(cè)量機(jī)本質(zhì)是在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上實(shí)現(xiàn)A/B軸無級(jí)定位,并同時(shí)配合三個(gè)移動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)五軸聯(lián)動(dòng)觸發(fā)或掃描測(cè)量的高精度測(cè)頭座。采用復(fù)雜先進(jìn)的激光測(cè)量和電信號(hào)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì),能夠以超高數(shù)據(jù)采集速率進(jìn)行精密工件測(cè)量,并且可高速處理采集后的數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)的完整性。

        圖1 五軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

        基于REVO五軸運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特性及激光實(shí)時(shí)補(bǔ)償原理實(shí)現(xiàn)對(duì)石油管螺紋快速精準(zhǔn)測(cè)量,同時(shí)因A/B旋轉(zhuǎn)軸的無極旋轉(zhuǎn),使其能夠使用一根測(cè)針通過旋轉(zhuǎn)至不同的角度來測(cè)量不同位置的母線。當(dāng)螺紋的放置方向不一致時(shí),REVO能夠根據(jù)工件坐標(biāo)系自動(dòng)調(diào)整至合適的角度,而不需要增加轉(zhuǎn)臺(tái)或者人為轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋以找到正確角度。

        3.3 五軸測(cè)頭應(yīng)用

        (1)滑掃螺紋端面

        如圖2所示,五軸測(cè)頭在沿X/Y/Z三個(gè)移動(dòng)軸移動(dòng)的同時(shí)繞A/B軸進(jìn)行角度變換,因此機(jī)器沿軸向移動(dòng)的同時(shí)可以實(shí)時(shí)角度調(diào)整,在不離開端面的前提下通過測(cè)座的快速運(yùn)動(dòng),以擺動(dòng)-滑掃的方式采集螺紋端面測(cè)量數(shù)據(jù),獲得準(zhǔn)確的端面輪廓及位置,從而創(chuàng)建端面零點(diǎn),進(jìn)行更精確的分析。

        圖2 滑掃螺紋

        (2)螺旋掃描圓錐

        由于REVO五軸測(cè)頭A/B旋轉(zhuǎn)軸無極旋轉(zhuǎn)的特性,使得測(cè)針可以沿螺紋內(nèi)徑進(jìn)行螺旋式高速掃描測(cè)量,從而得到整個(gè)內(nèi)徑的數(shù)據(jù),可創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系零點(diǎn),進(jìn)行更精確的螺紋參數(shù)分析。同時(shí),可以采用螺旋式掃描的方式掃描整個(gè)外圓錐,得到一個(gè)完整的外圓錐,并通過評(píng)價(jià)獲得外徑及錐度,同時(shí)快速精確獲得內(nèi)圓柱及外圓錐的高密度數(shù)據(jù)。圖3為對(duì)螺紋內(nèi)徑進(jìn)行高速螺旋式掃描示意圖。

        圖3 螺紋內(nèi)徑的螺旋式掃描

        (3)掃描螺紋母線

        如圖4a所示,螺紋放置在測(cè)量機(jī)行程空間范圍內(nèi),測(cè)量完端面及內(nèi)徑后創(chuàng)建螺紋初坐標(biāo)系,根據(jù)螺紋接頭結(jié)構(gòu)在螺紋母線上采用自動(dòng)打點(diǎn)的方式建立螺紋精坐標(biāo)系。精坐標(biāo)系創(chuàng)建完成后,測(cè)針自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至合適角度,在0°位置處沿軸線方向?qū)β菁y牙側(cè)面線(即螺紋母線)進(jìn)行曲線掃描測(cè)量。如圖4b所示,該牙型曲線由相鄰互不平行的直線構(gòu)成,掃描整條母線可得到完整螺紋牙型。為獲得完整精確的螺紋數(shù)據(jù),需要從不同位置測(cè)量螺紋母線。因五軸測(cè)頭可以旋轉(zhuǎn)至任意角度,所以使用同一根測(cè)針校準(zhǔn)一次即可在任意角度測(cè)量任意位置牙線并評(píng)價(jià)。

        掃描完成0°位置曲線后,旋轉(zhuǎn)測(cè)頭,根據(jù)需要任意選擇牙型線的測(cè)量位置。如圖5所示,在本次測(cè)試中共選擇了8條曲線,分別為0°,45°,90°,135°,180°,-135°,-90°和-45°位置處,共得到8條牙型線。通過計(jì)算相鄰直線間的軸向距離,確定每個(gè)螺牙與中徑線的交點(diǎn),從而計(jì)算出螺紋螺距以及齒寬。通過中徑線方程,按照API SPEC 5B[4]標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算出每個(gè)螺紋螺牙處的螺紋中徑、齒高和齒頂高等相關(guān)參數(shù)。

        圖4 螺紋母線掃描

        圖5

        (4)螺旋掃描承載面及導(dǎo)向面

        采用REVO五軸測(cè)頭沿著導(dǎo)向面和承載面進(jìn)行螺旋式掃描,如圖6a所示,通過五軸同步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行螺旋掃描,得到整個(gè)螺紋的導(dǎo)向面、承載面、牙頂以及牙底數(shù)據(jù),獲得整個(gè)螺紋量規(guī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包含了承載面、導(dǎo)向面、牙頂和牙頂?shù)恼麄€(gè)輪廓(見圖6b)。用同樣的測(cè)量方法得到環(huán)規(guī)的整個(gè)輪廓,量規(guī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后續(xù)將被用作數(shù)據(jù)模擬,可以分析并反映螺紋配合的緊密距數(shù)值。此研究將對(duì)石油管螺紋去實(shí)物量規(guī)化,優(yōu)化螺紋設(shè)計(jì)及加工質(zhì)量,特別是對(duì)特殊螺紋的研發(fā)方面,將產(chǎn)生積極的作用。

        圖6 螺旋掃描引導(dǎo)面

        3.4 五軸測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性

        為驗(yàn)證五軸測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,在20℃±1℃的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下,采用五軸測(cè)量機(jī)對(duì)7"API偏梯形塞規(guī)進(jìn)行測(cè)量,其數(shù)據(jù)包括計(jì)算齒高、槽寬、螺距、中徑與錐度等。用極差法評(píng)價(jià)結(jié)果,即對(duì)同一管螺紋連續(xù)測(cè)量25次,取最大值Vmax與最小值Vmin的差值Dev(Dev=Vmax-Vmin)作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),然后計(jì)算Dev/T(T為檢測(cè)項(xiàng)目公差)。當(dāng)Dev/T≤10%時(shí),即表示五軸測(cè)量系統(tǒng)符合計(jì)量特性要求。根據(jù)API SPEC 5B標(biāo)準(zhǔn)查得7"偏梯形塞規(guī)的理論值,測(cè)量所得實(shí)測(cè)值、極值和極差法評(píng)價(jià)的結(jié)果見表1。

        表1 極差法評(píng)估結(jié)果

        可以看出,本測(cè)試的測(cè)量極差均小于公差的10%,證明該五軸測(cè)量系統(tǒng)符合計(jì)量特性要求。

        4 結(jié)語

        應(yīng)用五軸測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)螺紋接頭的精密計(jì)量和精確快速測(cè)量,且無須配套專用量具,使檢測(cè)方案面向?qū)ο蟾鼜V泛,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量和螺紋接頭全形貌測(cè)量和仿真,降低成本,提高了測(cè)量效率。在特殊螺紋開發(fā)過程中應(yīng)用五軸測(cè)量技術(shù)可以縮短特殊螺紋接頭研發(fā)周期,節(jié)約開發(fā)成本,應(yīng)用前景廣闊。

        石油管螺紋的高效檢測(cè)對(duì)保證生產(chǎn)質(zhì)量十分重要,通過加強(qiáng)對(duì)石油管螺紋檢測(cè)技術(shù)的研究,可以令測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、測(cè)量過程更高效和測(cè)量數(shù)據(jù)更豐富。

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