数字式石油管螺纹中径标准量规的研发

王小强，王利刚，杨　析，史交齐，姬丙寅，王红江

1.中国石油塔里木油田分公司质量检测中心（新疆库尔勒841000）2.西安三维应力工程技术有限公司（陕西　西安710065）



数字式石油管螺纹中径标准量规的研发

王小强1，王利刚1，杨析2，史交齐2，姬丙寅2，王红江2

1.中国石油塔里木油田分公司质量检测中心（新疆库尔勒841000）
2.西安三维应力工程技术有限公司（陕西西安710065）

摘要螺纹中径测量方法近年来已在特殊螺纹接头油、套管等高质量石油管的加工和质量检验中得到广泛应用，美国石油学会最近也将螺纹中径测量方法纳入了API SPEC 5B最新标准草案。针对传统的固定机械式螺纹中径量规种类繁多、制造周期长、不易调整和进行误差修正等局限性，提出了一种基于坐标测量原理的数字式石油螺纹中径标准量规设计方法。该方法采用光栅作为测量基准，构建二维坐标系，在计算机辅助设计软件的引导下，实时调整生成指定类型、规格的石油管螺纹中径标准量规。关键词 数字式石油管；螺纹中径；标准量规

AbstractIn recent years, the measurement method of thread pitch diameter has been widely used in the processing and quality inspec⁃tion of high quality oil pipes with special threaded joint, such as tubing, casing pipe and so on, and The American Petroleum Institute re⁃cently makes the measuring method of the thread pitch diameter included in the latest standard draft of API SPEC 5B. Traditional fixed mechanical thread pitch diameter gauge are many limitations, such as many of the variety, long manufacturing cycle, not easy adjust⁃ment, and error correction, and for this reason, the design method of a digital oil tube thread pitch-diameter standard gauge measuring based on standard gauge diameter is put forward. In this method, the two-dimensional coordinate system is constructed by using the grat⁃ing as the measuring datum, and the oil tube thread pitch-diameter standard gauge of specified type and specification can be generated by real-time adjustment under the guidance of computer aided design software.

Key wordsdigital oil tube; thread pitch-diameter; standard gauge

1　螺纹中径测量方法概述

API SPEC 5B标准采用基于最大实体原则设计的圆锥螺纹量规，通过测量螺纹紧密距来间接测量产品螺纹接头的中径。由于API标准螺纹量规采用完整螺纹牙型设计，紧密距测量值受螺纹中径、螺距、锥度和螺纹牙型等单项参数的综合影响，只有各个螺纹单项参数均为理论设计值时，紧密距测量值和螺纹中径测量值完全一致。但单项参数存在偏差时，紧密距测量值和螺纹中径测量值并不一致，甚至存在较大的差异，一定程度上影响了石油管螺纹的质量检验结果和加工控制[1]。

因此，国外主要石油管生产厂家和研究机构，在20世纪80年代末开始的油、套特殊螺纹接头研究开发中，大多采用螺纹中径直接测量方法取代螺纹紧密距综合检验[2]。螺纹中径测量方法经过20余年的发展，基本形成了完整的技术体系，在高质量石油管的加工和质量检验中得到广泛应用和普遍认可。美国石油学会标准化委员会自20世纪90年代末开始关注螺纹中径测量技术的发展，并成立了专门的工作组开展相关研究，在2008年发布的第15 版API SPEC 5B[3]标准中，首次以补充技术要求的方式规定了油、套管的螺纹中径和椭圆度的公差要求，规范性附录SR22 (增强型抗泄露LTC螺纹连接)。即将发布的第16版API SPEC 5B标准已基本明确增加螺纹中径和椭圆度测量项目为标准规范测量项目，规定了油管、套管螺纹中径、椭圆度的尺寸和公差要求，并给出了推荐测量方法和仪器。

螺纹中径测量采用比较测量法，以外螺纹中径测量为例说明（图1）。首先在相应的石油螺纹中径标准量规的中径测量基面位置，将螺纹中径测量仪的测量机构指示标调整至零位；然后用调整好的螺纹中径测量仪测量产品螺纹对应位置处的顶径（对于外螺纹为大径，内螺纹则为小径），即得到螺纹中径的偏差值[4]。

传统的螺纹中径标准量规一般采用图1所示的框架式锥面结构或圆锥光滑量规结构。选择优质工具钢，采用高精度电火花加工工艺加工制造，具有结构简单、工艺成熟、使用方便等优点，但同时存在不足之处。

图1 外螺纹中径测量原理示意图

1）对于每种类型、规格的螺纹接头需要分别专门设计一套螺纹中径标准量规，常用的量规种类达几十种，整体投资费用较高。

2）量规制造周期较长，不能及时满足用户的要求，一定程度上影响了产品检验工作的正常进行，这种情况对于特殊螺纹接头产品尤为明显。

3）固定式量规的垂直度、平行度等形位公差不易调整消除，也难以进行误差补偿，对中径测量结果的准确度带来一定影响。

本文提出了一种基于坐标测量原理的数字式石油螺纹中径标准量规设计方法。采用光栅作为测量基准，构建二维坐标系，在计算机辅助设计软件的引导下可以实时调整生成指定类型、规格的石油管螺纹中径标准量规。还可以进行误差修正，显著提高了量规的准确度和可靠性。该方法较好地解决了传统固定式中径量规存在的不足之处，具有高效、方便、准确度较高等优点，实现了数字化量值溯源。

2　测量原理

基于坐标测量原理，采用光栅作为测量基准，构建二维坐标系，计算机辅助设计软件引导下驱动高精度导轨至指定坐标位置，即可实时调整生成指定规格、类型的石油管螺纹中径标准量规。

测量原理如图2、图3所示。首先，根据拟调整生成的螺纹中径标准量规的类型选择相应的锥度标准块，并分别安装在测量平台的底座和高精度移动平台上。然后，将可移动锥度标准块移动至接近机器零位处，采用已知数据的标准量块或高精度内尺寸测量装置（内径千分尺或电感侧微装置），设置测量装置的初始零位x0。依据公式（1）或公式（2）计算得到移动锥度标准块相应的轴向坐标位移值，通过高精度移动平台将可移动锥度标准块调整至x坐标处（图2中用虚线表示）并锁紧，即得到拟设计生成的外螺纹中径标准量规或内螺纹中径标准量规。

图2 外螺纹中径标准量规测量原理示意图

图3 内螺纹中径标准量规测量原理示意图

拟设计生成的某种外螺纹中径标准量规对应的移动锥度标准块的轴向坐标位移值，按公式（1）计算：

x=GA-x0-W1-W2+2×tgβ1×(L1-G1)（1）

式中：x为可移动锥度标准块的轴向坐标位移值,mm；GA为产品螺纹G1平面处的螺纹大径设计值, mm；x0为初始零位,mm；W1为固定锥度标准块的大端宽度，mm；W2为可移动锥度标准块的大端宽度，mm；β1为锥度标准块的螺纹锥角（左）,（°）；L1为锥度标准块锥面垂直高度,mm；G1为管子端面至测量平面处的轴向距离设计值,mm。

拟设计生成的某种内螺纹中径标准量规对应的移动锥度标准块的轴向坐标位移值，按公式（2）计算：

x=MA-x0-2×tgβ2×(L2-M2)（2）

式中：x为可移动锥度标准块轴向坐标位移值，mm；MA为产品螺纹M1平面处的螺纹小径设计值，mm；x0为初始零位，mm；β2为锥度标准块的螺纹锥角（右）,（°）；L2为锥度标准块锥面垂直高度，mm；M2为接箍端面至测量平面处的轴向距离设计值，mm。

3　测量系统设计

本系统由机械测量平台、测量系统和石油螺纹中径标准量规辅助设计软件组成。

机械测量平台采用卧式坐标结构形式，设计方案如图4所示，包括仪器底座、锥度标准量块、快速移动工作台和高精度微调机构。仪器底座选用花岗岩，可以提高仪器的整体稳定性。锥度标准块采用对称锥度设计方式，不需要更换锥度标准块即可分别构成内、外螺纹中径标准量规，减小了安装调整误差，提高了测量效率。

位移机构采用双层机械位移机构设计方式，组合实现快速移动和精确微调。快速移动工作台安装在仪器底座上，采用齿轮齿条传动、手轮驱动方式，锁紧装置采用齿条、锁紧块的配合方式，利用锁紧轴椭圆结构进行锁紧。高精度微调机构通过与齿轮齿条传动机构平行的导向导轨安装在快速移动工作台，采用双滑动导轨结构，并在两导轨外侧分别装有两组可调整压紧力的轴承座组，以限制滑板垂直方向自由度。微调部分驱动机构采用高精度螺旋副、手轮驱动方式，采用微调螺杆和双螺母消结构，可显著减少回程误差。锁紧装置利用滑板推杆进行锁紧，锁紧力直接作用于滑板推杆，减小对轴向精度的影响。

图4 机械测量平台结构设计

测量系统采用高精度光栅测量系统，测量系统原理框图如图5所示。本系统采用了德国某公司生产的计量光栅系统，光栅测量机构示意图如图6所示。

本系统采用基于现场可编程门阵列（Field-Pro⁃grammable Gate Array，FPGA）设计的ENC7480编码器计数及I/O控制卡，可以采集4轴正交编码器信号，计数器为28位，输入频率为4MHz。本系统光栅传感器输出两路相位差为90°的方波,利用直接细分达到0.5μm的分辨率，方波信号经由计数卡进入计算机总线，从而软件可以实时读取当前的位置坐标值。ENC7480增量式编码器计数卡为旋转编码器、光栅尺等工业测量元件提供了PC机信号采集接口，并具有外部信号触发后硬件自动高速锁存位置的功能。同时配有功能完善的软件，包括驱动软件、函数库、例程等内容，从而使得位置、速度和加速度的测量变得简洁、方便，已经广泛应用于影像测量仪、坐标测量机、机床测量系统等自动化设备上。

石油螺纹中径标准量规辅助设计软件采用微软新一代WPF(Windows Presentation Foundation)图形系统技术。基于DirectX 9/10技术的WPF提供了超丰富的.Net UT框架，集成了矢量图形，丰富的流动文字支持，3D视觉效果和强大无比的控件模型框架。本系统基于WPF技术开发了图形化的石油螺纹中径标准量规辅助设计软件，软件界面友好、简洁、功能丰富，实现了石油螺纹中径标准量规设计、误差修正与补偿等功能。软件框图见图7，软件界面见图8。

图5 光栅测量系统原理框图

图6 光栅测量结构示意图

图7 石油螺纹中径标准量规辅助设计软件流程图

4　实验及结果分析

以API标准偏梯形外螺纹中径标准量规为例，对测量系统进行了测试，采用ZEISS PRISMO Navi⁃gator高精度三坐标测量机[5-6]，对生成的螺纹中径标准量规进行了计量检测，测量结果见表1。从测量结果可以看出，本测量系统计算生成的螺纹中径标准量规的准确度满足设计要求。但对于规格大于177.80mm的标准量规，存在较大的测量偏差，初步分析认为可能存在两方面的原因：

1）测量系统的误差随着量规高度的增加而随之增大。

2）虽然对锥度标准块的宽度、锥角、锥体长度等制造偏差进行了精密测量和误差补偿。但未对安装后的锥度标准块的垂直度、平行度等形位偏差进行准确测量和补偿，影响了系统生成的中径量规测量结果的准确度。

图8 石油螺纹中径标准量规辅助设计软件界面

表1 API标准偏梯形螺纹中径标准量规测量结果　/mm

5　结论

1）基于坐标测量原理，实现了石油管螺纹中径标准量规的快速设计与调整生成，以及数字化测量，实验测量结果表明其准确度满足±0.010mm的要求。

2）开发了一套螺纹中径标准量规辅助设计软件，可快速、动态设计调整出所需要螺纹类型、规格的螺纹中径标准量规。尤其适用于石油管新型螺纹接头的设计开发、试制，可显著提高新型螺纹接头的开发效率，也可作为计量标准用于期间核查和比对测量。

3）需要进一步深入研究系统机构误差、运动系统误差对测量结果的影响，完善测量模型及误差补偿，提高测量结果的准确性。

参考文献：

[1]徐孝恩.螺纹测量[M].北京:机械工业出版社, 1986.

[2]高连新,张毅.API螺纹紧密距测量和中径测量的比较[J].钢管，2009, 38(6): 59-63.

[3]美国石油学会标准化委员会.套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范(第15版): API SPEC 5B-2008[S].高圣平，译.北京:石油工业标准化研究所, 2008.

[4]全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会.套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验: GB/T 9253.2-1999[S].北京:中国标准出版社, 1999.

[5]张国雄.三坐标测量机的发展趋势[J].中国机械工程, 2000, 11(Z1): 222-226.

[6]刘祚时,倪潇娟.三坐标测量机(CMM)的现状和发展趋势[J].机械制造, 2004, 42(8): 32-34.

收稿日期：本文编辑：左学敏2015-08-26

作者简介:王小强（1967-），男，高级工程师，主要从事石油工程研究工作。