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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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?lè)?、垂直投影法和影像法。三針?lè)ㄊ且环N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?lè)湃肼菁y溝槽中，通過(guò)千分尺測(cè)量出三針外表面跨距，最后通過(guò)公式計(jì)算出螺紋的中徑以及螺距[2]。在測(cè)量過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)極旋轉(zhuǎn)，使其能夠使用一根測(cè)針通過(guò)旋轉(zhuǎn)至不同的角度來(lái)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(kāi)端面的前提下通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(yǔ)

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(wú)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(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)程更高效和測(cè)量數(shù)據(jù)更豐富。