刍议数字化在油井管螺纹中的应用*

潘存强，赵 鹏

(宝山钢铁股份有限公司 上海 201900)

0 引 言

油气能源勘探、开采工业广泛使用API 5B 标准螺纹连接的油井管，将埋藏于地表以下几千米的油气矿藏，通过管道输送到地面上的设施中。螺纹连接的设计及质量能力直接影响油气开采所能达到地层的深度、开采作业的安全及作业效率。随着社会经济的发展，开采深度从50 a前的1 000 m，增加到现在的3 500 m以上。开采技术从垂直井演变为水平井，常规的API螺纹连接已经难以满足油气开发场景的需求，各石油公司、研究机构及钢管制造厂商都在研发适用于复杂开采工况的螺纹连接结构，根据统计数据，国内外非API的螺纹接头有数百种，被广泛应用于定向井、深井、超深井、水平井、高气压井、重腐蚀井、稠油热采井等特殊井况。通常情况下，开发一种新的螺纹连接需要花费大量的资金，历时2～3 a 等较长的时间，如何通过运用数字化技术，提升螺纹连接研发及制造效率是石油管产业链正在探索的方向。

1 数字化是产品开发制造过程中的知识重复使用的重要途径

产品设计、工艺优化过程中大量的工作是检索、重复使用以往经验知识以及获取新知识[1]，设计/优化经验知识的获取、共享与重复使用, 有利于缩短产品开发周期、提高产品质量[2]。根据所采用的设计原理与技术是否已存在,设计可分为原创设计和再设计两大类。后者又可根据改进部分的数量和程度, 进一步分为适应性设计、变型设计、选择设计和布局设计。根据统计数据，新产品及新工艺设计中大约60% 以上的工作是基于以往经验展开的,对产品、工艺经验知识的获取、重复使用是在较短时间内获得高质量设计的关键因素,这在复杂产品的开发过程中表现更为突出[3]。

数字化解决了产品设计、制造过程中各相关流程的数据定义，数据传递的接口问题，使参与各方的信息传递效率更高。基于数字化平台上的协同设计, 产品开发、工艺优化过程涉及大量专业团队的协同工作, 具有比个人设计更为复杂的设计流程、组织结构及产品结构, 设计中相关对象之间的关联关系、知识类型及知识的流向都更加复杂、多样。关于油井管螺纹产品设计，全行业数百种螺纹，80%以上的产品属于再设计产品，如何将这些产品在设计、评价、制造过程中获得的经验整理成便于检索、重复使用的知识，是提升产业链流程效率的重要手段，数字化就是一种被其他行业验证有效的手段。

数字化产品规划是指在数字化研发/制造的平台上,对产品的研发/工艺进行规划，以数字化仿真技术、加工资源和工艺方法为基础, 通过识别产品设计、制造特征, 为产品制定加工工艺路线, 包括加工顺序、资源( 机床、刀具和工装) 分配、切削参数的制定、NC 代码的生成，测量路径规划等。其工作流程系统框架如图1所示。系统的产品数据库、资源数据库和知识数据库对图1的各项过程进行支撑, 这些数据库包含着螺纹/产品的数字化模型、加工知识、某些特定材料的工艺特性和工厂的加工资源，数据库完善与否关系到工艺规划的实施效率。

图1 数字化工艺规划及封装

2 数据的模块化封装是实现知识重复使用的有效手段

基于特征数据的模块化封装广泛应用于计算机软件设计及数据处理中，主要是为了降低大型复杂软件编写过程的难度和出错概率，实现软件代码的重复使用。封装就是隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口，控制在程序中属性的读和修改的访问级别，将抽象得到的数据和行为(或功能)相结合，形成一个有机的整体，也就是将数据与操作数据的源代码进行有机的结合。封装的目的是在处理复杂系统中，在确保系统安全性的前提下简化实施过程，使用者不必了解具体的实现技术细节，而只是要通过外部接口，以特定方式来使用封装所实现的功能。

以油井管螺纹齿形设计为例，将齿形的参数抽象为直线要素及圆弧要素，这些直线要素与圆弧要素首位相连，构成设计齿形。每条直线用两个端点作为特征值表示，每段圆弧用圆心点及圆弧起点和终点作为特征值，这些特征值互相之间的关系表达了齿形设计的齿高、螺距、齿宽等信息，将这些特征信息封装起来，通过改变要素值来表达不同的齿形设计。将齿形特征沿产品母线方向平移螺距整数倍就实现了不同规格的产品设计。同理测量设备在测量螺纹尺寸时，齿形的路径规划轨迹与齿形在产品母线上平移的路径是一致的。这样数字化加工的轨迹跟数字化的测量轨迹在工艺设计阶段可以实现代码重复使用，降低研发强度，提升研发效率。

3 油井管螺纹数字化规划

3.1 齿形数字化及产品设计数字化

产品工程师在完成油井管螺纹连接设计后会形成两个设计文件，包括齿形设计图和产品设计图，齿形设计图如图2所示，产品设计图如图3所示。首先将齿形设计图进行数字化改造，通常一个完整的齿形由4条直线段和4段圆弧连接而成，简称齿形8个要素。4条直线段分别为齿顶线、承载面(线)、齿底线、引导面(线)，相邻两直线段之间分别用圆弧连接。将齿形中径线与承载面的交点作为坐标原点，则数字化后的齿形8个要素可以表达为8个解析方程，齿高、螺距等信息体现在解析方程的定义域中。产品设计就是将数字化的齿形在产品坐标系中平移及坐标转换。以API Spec 5B中的偏梯型外螺纹为例，定义螺纹四根直线(齿顶Line1、承载Line2、齿底Line3、引导Line4)及各直线间的圆弧(Arc1、Arc2、Arc3、Arc4)联接，螺纹齿形示意图如图4所示,API偏梯扣齿形(小于16″)数字化方程见表1。以承载Line2与中径线的交点为原点，定义直线与圆弧(坐标系跟车床坐标系相同)，到产品设计流程时，将齿形的数据在工件坐标系中以产品轴线为旋转轴，中径为旋转直径，在轴线方向以螺旋(直径)渐增/减的方式，形成产品设计尺寸。以5 1/2 偏梯型外螺纹为例，中径螺旋线的数字化表达式为(极坐标)：

表1 API偏梯扣齿形(小于16″)数字化方程

图2 齿形设计图

图3 产品设计图

图4 螺纹齿形示意图

(1)

(2)

-97.16≤Z≤0

(3)

r≤69.85

(4)

3.2 螺纹梳刀数字化

梳刀是螺纹加工的重要刀具，其设计质量及准备周期影响着产品研发的进展及制造工艺成本。通常齿形设计完成后研发工程师会交付一张CAD图纸，当进行数字化以后，齿形文件将会变成四段直线及四段圆弧的解析方程，工艺工程师根据梳刀适用的材料及机床进行切削工艺设计，通常会有一张切削分配图，如图5所示。图5中表示了梳刀各齿的切削分配，该梳刀设计有3齿，其中黑线表示成型齿，各色线之间的间隙表示各齿的加工余量分配，数字化后黑线的8个要素(4线4弧)表达为8个解析方程，同理黄线也可以表达为8个要素，黑线的8个要素跟黄线的8个要素之间的空间关系就是线段(圆弧)的平移、旋转及比例缩放。将以上过程抽象化，齿形的设计为输入X，将齿形8要素的平移、旋转、缩放过程封装成一个转换函数f()，则黄线的数字化结果就是f(X)，下次设计人员修改的齿形X1，如果切削分配不变的话，就直接用f(X1)得到新的梳刀设计。此流程可以极大压缩从产品设计到工具设计的时间及成本。

图5 齿形向梳刀图转换示意图

3.3 测量过程数字化

生产现场的温度随着昼夜及季节变动，长江流域常年的波动氛围约为40 ℃，任何一个测量设备在如此广阔的温度波动范围内都无法保证测量的重复性。通常情况下，测量人员都要在生产现场放置一个标准测量样块，包括螺距样块、齿高样块，采用相对测量的方式来消除温度波动对工件尺寸的影响。比对仪(EQUATOR)是一种运用相对测量原理的数字化检验设备，其测量流程如图6所示：1)从生产现场任意选取一个工件作为基准件R(无论此工件尺寸是否合格)，在温控状态下用三坐标测量仪获得基准件的质量数据F0(真值)及测量数据D0。2)将质量数据F0及测量数据D0导入比对仪中，用比对仪的标准件(MASTER)模式测量基准件，获得当前温度环境下的测量数值，作为基准值f0。3)用比对仪的测量(MEASURE)模式测量当前生产的工件W，获得当前温度下的测量f1，将此测量值跟基准值进行比较换算成当前工件的质量值。4)如果测量模式下的环境温度跟校准模式下的环境温度差值超过设定值，则用基准件再次校准比对仪，这样就可以消除环境温度变动导致的测值波动。

图6 车间工况下螺纹自动测量实施原理图

比对仪测量是一种通用的数字化检具，通过获得工件表面的三维数据点来计算产品的空间尺寸，产品的质量特征测量从单一尺寸单一量具转变到用空间数字模型路径来规划测量路径。将原有的量具准备由硬件制造转变为数字化设计，缩短了量具准备时间，取消了购置量具的生产成本。

3.4 加工工艺及质量控制数字化

一个完善的螺纹加工工艺涉及到加工设备、数控系统、刀具系统、材料性能、切削工艺等综合因素，每个企业都会有不同的生产线生产相同的产品，或同一生产线制造不同的产品，如何保证一种新产品能够迅速在不同生产线上实现稳产高产，加工工艺数字化是一个简单高效的手段。

将数字化加工工艺分为3个数据接口输入，包括产品设计参数，设备参数，材料参数，这些参数可以直接从数字化工艺规划库中获取，通过封装接口导入，最终得到数控加工代码。在引入数字化螺纹自动测量后，使整个加工过程形成了一个控制闭环，加工端数控系统通过调整刀补来控制刀具磨损导致的尺寸波动，测量端比对仪将测量结果反馈给数控系统，通过制定一个高效的反馈补偿策略，可以把质量数据控制在名义值附近波动。刀具更换时，将刀具的尺寸数据(对刀数据)导入到数控系统中，参与轨迹控制，使更换刀具引入的公差对产品尺寸影响降低到最小。

钻杆或各种钻井工具在重复使用过程中，不可避免会产生一些螺纹碰伤或损坏，快速地将这些损坏的螺纹修复，是提高现场作业效率及降低作业成本的有效手段。机床触头配合数控系统，提供了数字化自动修复螺纹的技术条件，通过测量待修螺纹在机床空间中的夹持位置，数控系统调整加工刀具的运动轨迹，使刀具的各切削刃包络待修螺纹，实现螺纹的数字化修复。修复过程与操作人员的技能水平无关，修复效率及精度与机床触头的测量精度及重复性相关。

3.5 螺纹连接性能计算数字化

产品研发过程中，有限元计算是一个必不可少的环节，将设计产品采用网格化分割的方式，利用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的关系式，来核算产品设计是否符合项目目标。通常研发人员采用名义值或上/下限值来进行网格化分割，因没有实际数据支撑，无法将生产过程中工件的实际变形等加工偏差列入计算范围。当生产现场运用数字化量具以后，可以生成海量的实际质量数据，这些质量数据可以进行分层汇总，一个工件数据可以分离为齿形数据和锥体数据(包含变形及产品公差)。在进行有限元分析时，直接将新的齿形模型叠加在锥体数据(包含变形及产品公差)上，形成一个接近与现场生产的实体模型，对此模型进行有限元分析得到的结果更接近于真实工件的情况。通过这种方式，可以快速迭代出接近最优的齿形设计及产品设计。

4 螺纹数字化对石油管行业发展影响的展望

油井管螺纹产品研发阶段实现全流程数字化以后，将会对整个行业的发展产生深远影响，短期对制造端的影响比较显著。

1)提升产品质量控制能力。减少了检验人员惰性及技能带来的产品质量风险。

2)提高生产效率，降低生产成本。因刀具磨损导致的不合格品将大幅降低，与产品规格相关、种类繁多的量具不再是必需品。

3)实现无人化生产。测量数据可以实时反馈给加工系统，形成闭环控制，为生产线的无人化提供技术支持。

油井管螺纹自动测量投入生产应用后，将会产生海量的数据，对这些数据进行发掘与应用，将极大促进行业的发展速度。展望未来，预计的应用包括：

(1)实现数字化装配，用数字化螺纹规代替环塞规的紧密距检验。

(2)缩短研发周期，降低研发成本。

将测量数据抽象为密封面形状、齿形及锥体三部分，实测数据分解为密封面(理论值)、齿形(理论值)及锥体(有变形的实际值)。研发阶段可以将不同的理论值(设计)与实际值(测量)封装成实体，进行有限元计算及试验，快速筛选最优方案。

齿形设计完成以后，相关的刀具、加工工艺、测量工艺设计均可以自动生成。可以不需要制备与测量相关的螺纹样块等标准件。

(3)用户不需要提供各种验收、测量量具，减少用户端使用成本。

(4)对加工数据的计算分析，可以评估刀具寿命及机床精度，持续改进刀具、夹具的使用寿命。