彭志牛,王鳴華

(寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201999)

在油井管特殊扣產(chǎn)品的加工過(guò)程中,擰接是一個(gè)重要工序。擰接設(shè)備的自動(dòng)判定方法是否合適會(huì)對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏和質(zhì)量控制產(chǎn)生影響。自動(dòng)判定的準(zhǔn)確性,即管擰曲線的拐點(diǎn)識(shí)別是否正確,直接決定于管擰曲線的合理性。油井管的實(shí)際擰接過(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài),鋼管和接箍的螺紋加工精度(如螺紋橢圓度、公母頭的同軸度)、螺紋表面狀態(tài)、螺紋脂質(zhì)量及涂抹情況、擰接控制速度等多種因素都會(huì)造成擰接曲線的較大波動(dòng)。

1 拐點(diǎn)概念

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,油井管和接箍經(jīng)過(guò)擰接工序后,必須達(dá)到有效擰緊和密封。油井管中大多數(shù)的特殊扣產(chǎn)品為了滿足密封性能,都會(huì)在螺紋端部提供一個(gè)截面為圓弧或直線等形式、金屬對(duì)金屬的密封,即密封面。油井管和接箍的擰接配合典型圖如圖1所示。

圖1 油井管和接箍的擰接配合

在擰接時(shí),當(dāng)鋼管密封面和接箍密封面接觸后,擰接扭矩會(huì)突然上升,體現(xiàn)在扭矩曲線上是一個(gè)隨之上升的陡坡,可稱(chēng)之為拐點(diǎn)。某些特殊扣產(chǎn)品為了滿足特殊工況要求,還會(huì)設(shè)計(jì)有多個(gè)密封面(拐點(diǎn))。典型的特殊扣產(chǎn)品雙拐點(diǎn)擰接曲線如圖2所示。以時(shí)間或圈數(shù)為橫坐標(biāo),以扭矩為縱坐標(biāo),繪制擰接曲線。擰接曲線上的兩個(gè)突變點(diǎn),P2(密封面拐點(diǎn))為第一拐點(diǎn),P3(臺(tái)肩拐點(diǎn))為第二拐點(diǎn)。

圖2 特殊扣產(chǎn)品的雙拐點(diǎn)擰接扭矩曲線

2 曲線曲率半徑拐點(diǎn)識(shí)別方法

特殊扣螺紋擰接的主要判定依據(jù)是兩條:第一條和 API 標(biāo)準(zhǔn)螺紋相同,要判斷其最終的擰緊扭矩是否在最大最小扭矩合格范圍之內(nèi);第二條就是拐點(diǎn)扭矩是否在最大、最小拐點(diǎn)扭矩合格范圍之內(nèi)。這兩個(gè)判定準(zhǔn)則中最關(guān)鍵的是標(biāo)識(shí)出曲線上的拐點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外管擰機(jī)廠家的拐點(diǎn)識(shí)別算法普遍采用圖像學(xué)意義上的曲率半徑法識(shí)別,即在管擰曲線后半段,逐點(diǎn)計(jì)算曲線曲率半徑[1],再結(jié)合過(guò)濾算法去除異常點(diǎn),找出曲線彎曲變化最明顯的點(diǎn),如圖3所示。

圖3 曲率半徑法

這種方法用于常規(guī)擰接曲線行之有效,對(duì)于非常規(guī)擰接曲線準(zhǔn)確率低。因?yàn)橛途艿膶?shí)際擰接過(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài),鋼管和接箍的螺紋加工精度(如螺紋橢圓度、公母頭的同軸度)、螺紋表面狀態(tài)、螺紋脂質(zhì)量及涂抹情況、擰接控制速度等多種因素都會(huì)造成擰接曲線的較大波動(dòng)。即使是加工質(zhì)量類(lèi)似的同一批鋼管和接箍,螺紋脂涂抹差異、擰接控制差異都會(huì)對(duì)擰接曲線產(chǎn)生較大差異,尤其是擰接控制變速的時(shí)機(jī)和幅度會(huì)顯著影響拐點(diǎn)識(shí)別。如圖4所示,在鋼管密封面和接箍密封面已經(jīng)接觸后,由于大幅度改變擰接控制速度,產(chǎn)生了多個(gè)圖像上的“拐點(diǎn)”,實(shí)際上并不是擰接意義上的拐點(diǎn)。

圖4 多“拐點(diǎn)”的復(fù)雜扭矩曲線

3 密封面變形法拐點(diǎn)識(shí)別方法

曲率半徑法識(shí)別拐點(diǎn)只能從圖像學(xué)意義上找突變點(diǎn),這種方法僅僅識(shí)別曲線上的突變點(diǎn),假“拐點(diǎn)”多。擰接意義上的拐點(diǎn)是指鋼管和接箍的密封面相接觸后,擰接阻力上升,金屬?gòu)椥宰冃?所以導(dǎo)致扭矩曲線突變。從油井管產(chǎn)品特殊扣型的設(shè)計(jì)角度看,拐點(diǎn)出現(xiàn)后,螺紋脂受擠壓,以及密封面受到擠壓產(chǎn)生彈性變形。這個(gè)彈性變形是有限的,超過(guò)極限會(huì)導(dǎo)致屈服失效等損傷;即拐點(diǎn)出現(xiàn)后,針對(duì)各類(lèi)扣型,鋼管和接箍的現(xiàn)對(duì)位移是有一個(gè)理論范圍。所以從擰接意義看,識(shí)別拐點(diǎn)的方法是既要計(jì)算擰緊扭矩差異值,也要計(jì)算密封面彈性變形量,我們稱(chēng)之為密封面變形法,通過(guò)記錄兩者的變化量比值,即PW值來(lái)確定拐點(diǎn),計(jì)算公式如式(1),如圖5所示。

圖5 密封面變形法

PW值=dTor/dTur

(1)

式中:dTor =當(dāng)前點(diǎn)扭矩-擰緊扭矩;dTur =當(dāng)前點(diǎn)圈數(shù)-擰緊圈數(shù)。

密封面變形法真實(shí)反映了螺紋脂和密封面的狀態(tài),反映了密封面受壓后的扭矩變化和彈性變形的相關(guān)性,可以有效避免曲率半徑方法的缺陷,許多特殊扣產(chǎn)品,由于金屬材質(zhì)和密封面設(shè)計(jì)的特性,導(dǎo)致密封面段扭矩曲線復(fù)雜多變,如“緩慢上升”、“波浪形”和“雙拐點(diǎn)”,這種方法都能有效識(shí)別。此外,拐點(diǎn)的PW值取值范圍和產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性相關(guān),不是越大越好,一般通過(guò)批量生產(chǎn)后,確定一個(gè)此產(chǎn)品的判定經(jīng)驗(yàn)值。采用此方法后開(kāi)發(fā)的管擰自動(dòng)判定軟件畫(huà)面如圖6所示。

圖6 管擰自動(dòng)判定軟件畫(huà)面

4 結(jié)語(yǔ)

曲率半徑法是從圖像學(xué)意義上識(shí)別拐點(diǎn),這種方法僅僅識(shí)別曲線上的突變點(diǎn),假“拐點(diǎn)”多。密封面變形法是從擰接意義上識(shí)別拐點(diǎn),相較于曲線半徑法,密封面變形法更科學(xué)。這種方法既考慮了擰緊扭矩差異值,也計(jì)算了密封面彈性變形量,真實(shí)反映了螺紋脂的狀態(tài),密封面受壓后的扭矩變化和彈性變形的相關(guān)性。油井管的實(shí)際擰接過(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài),鋼管和接箍的螺紋加工精度(如螺紋橢圓度、公母頭的同軸度)、螺紋表面狀態(tài)、螺紋脂質(zhì)量及涂抹情況、擰接控制速度等多種因素都會(huì)造成擰接曲線的較大波動(dòng)?？傊?管擰曲線是整體系統(tǒng)的呈現(xiàn),這個(gè)系統(tǒng)包括油井管產(chǎn)品、環(huán)境、輔助介質(zhì)、設(shè)備等各方面。除了提高拐點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)確性,更關(guān)鍵的是從系統(tǒng)的角度提高管擰曲線真實(shí)性,如避免過(guò)高的擰接速度對(duì)密封面帶來(lái)沖擊、改善螺紋脂、改進(jìn)密封面公差配合、提高扭矩采集頻率,確保擰接曲線更平順更精準(zhǔn),從而更利于自動(dòng)識(shí)別出管擰曲線上的特征點(diǎn),利于管擰自動(dòng)判定的準(zhǔn)確率。