数字化石油螺纹检测系统的开发*

白小亮，刘 钊，张田云，余 志 ，何 坤，李 群

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.长庆油田分公司物资供应处(物资管理部) 陕西 西安 710021；3.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西 宝鸡 721000；4.西安泰锐精密机械科技有限公司 陕西 西安 710300；5.长庆油田分公司第三采气厂 内蒙古 乌审旗 017300)

0 引 言

油井管柱是由螺纹连接而成，而管柱失效70%左右都发生在螺纹连接处，因此石油螺纹参数检验就显得尤为重要。目前石油螺纹的检测方法是美国石油学会(简称API)标准要求的检测方法，已沿用近一个世纪，检测效率低、检测准确性依赖于检测人员操作熟练程度。2019年7月1日已经实施的API Spec 5B：2017[1]新标准中螺纹检验项目增加1倍，使得螺纹检验量大幅增加，进而导致企业检验成本剧增。随着工业自动化水平的提高，在油井管制造企业生产过程中的自动化也极大的提高了生产率和工作效率，但螺纹传统检测方法及质量管理体制和自动化生产的矛盾却日益突出，如何提高检测效率成为各大石油管加工企业迫在眉睫的问题。基于以上问题，石油管工程技术研究院联合国内高新技术企业合作开发了数字化石油螺纹检测系统。

1 数字化石油螺纹检测系统概述

本系统综合应用电感测量技术、无线传输技术、物联网技术、大数据、质量数据统计与应用分析等先进技术，是一套集产品检测方案、生产测量、质量控制一体化的石油管数字化检测系统，实现了石油管螺纹检测设计、检测执行、数据处理、结果评价和质量管理全过程的数字化、智能化和网络化[2]。

2 数字化石油螺纹检测系统的开发

本系统的数字化石油螺纹检测系统测量原理是将API Spec 5B：2017标准推荐的石油螺纹单项参数测量方法与数字化测量技术相结合，采用基于电感式传感器的测微机构，实现点位测量和数据采集，通过无线数据传输方式将测量数据传输至数据库平台，从而完成螺纹锥度、螺距、螺纹牙型高度、牙顶高度、螺纹顶径、椭圆度以及紧密距等全部参数的数字化测量、数据处理和结果评价。

2.1 总体设计

数字化石油螺纹检测系统基本构成包括：数字化石油螺纹单参数及几何尺寸测量仪器系统、基于射频原理的无线数据采集与传输系统、ORACLE/SQL/DB2数据库管理系统和ORACLE/SQL/DB2数据库管理系统[3]。典型的基于无线数据传输的数字化石油螺纹检测系统总体架构设计如图1所示。

图1 数字化石油螺纹检测系统示意图

2.2 软件设计开发

数字化石油螺纹检测软件系统采用面向对象的C#高级程序设计语言在Microsoft .win10环境下开发，建立基于网络，集产品检测工艺设计、检测过程执行与管理、产品质量分析一体化的数字化石油螺纹检测系统，利用物联网技术将螺纹单项参数测量仪连接起来，实现石油管产品检测任务规划、测量执行、测量数据处理及分析、产品质量分析。数字化石油螺纹检测系统软件主要功能模块包括:1)用户管理模块，2)量具管理模块，3)合同管理模块，4)质量检测方案管理模块，5)测量作业模块，6)检测报告管理模块，7)基于SPC的质量数据分析模块。上述模块中质量检测方案管理模块、测量作业模块和检测报告管理模块通常需要针对具体的用户做个性化定制开发。

2.2.1 量具管理

量具管理模块在整个检测系统中是非常重要的一个环节，用户通过量具管理可以实现对量具的动态管理，检测系统在交付用户前，根据客户的需求，需要做量具和软件的物理地址绑定，这样做的优点在于后续生产测量环节，检验员不需要按照规定检验顺序去逐项检验，而是任意拿起(激活)一件量具按照规定动作完成检验即可实现对应项目的检测，软硬件实现了智能匹配，如图2所示，这在生产线巡检以及质量抽检方面优势更为明显。另外，对量具的检定校准管理，一方面可以提醒用户定期检定校准在用量具，一方面还可以通过校准证书的管理通过算法关联到生产测量模块中具体的检测项目，尤其是环塞规检验螺纹接头紧密距时，把校准证书中的新值补偿给环塞规，凸显检测对产品质量的管控。

图2 数字化石油螺纹检测系统软硬件智能匹配

2.2.2 测量作业

通过合同管理模块确定具体的合同内容，再根据合同技术要求自动匹配合适的质量控制方案，例如检验的参数类别、公差范围、检验比例等。为了便于检验员更好地操作量具，在激活任一量具后，软件会弹出该检测项目的操作视频，从而降低误操作的可能性。经过大量的市场调研，对密封面直径测量(仅对特殊螺纹而言)和螺纹接头顶径测量，对石油管制造企业，通常是100%检验，属于高频操作，因此对该项目的检验流程、算法的优化非常重要，通过大量的检测数据验证，系统提供了4点法和6点法，两种测量方式供用户选择，如图3所示。从图4分析得出以上两种方式测得的螺纹平均顶径与180°扫描法测量算得的螺纹平均顶径基本一致，可替代扫描法，从而提高该项目的检测效率。

图3 米字测量法和六点测量法

本文另提供了一套优化测量方法，利用顶径测量仪对待测外螺纹顶径在任意一个方向(一般为水平位置，这样操作符合人工操作习惯)上进行测量后，逆时针或顺时针进行45°的转动后进行第二次测量，然后再逆时针或顺时针(转动顺序与前步骤一致)的45°转动进行第三次测量，加入特定算法(一种石油管外螺纹顶径测量仪及方法，发明专利受理号：201911316023.2)可得到最大顶径A和最小顶径B。

图4 不同测量方法之间平均顶径偏差测量数据比对

米字测量法得到的平均顶径偏差与全圆周测量得到的平均顶径偏差比较得出，两者相差在±0.001 in之内个数为31组。六点测量法得到的平均顶径偏差与全圆周测量得到的平均顶径偏差比较得出，两者相差在±0.001 in之内个数为35组。优化测量法得到的平均顶径与全圆周测量得到的平均顶径偏差比较，两者相差在±0.001 in之内个数为36组。与米字测量和六点测量法相比，优化测量法在测量精度的情况下，并提升了测量效率，比对结果见表1。

表1 测量优化后的效率及精度

2.2.3 检测报告输出

因每家客户的质量管理体系及生产质量控制方案均有所差异，为满足客户需求，检测报告我们可以根据客户要求定制开发，根据市场调研检测报告可以分为3类2种，分别为：过程检测报告、巡检检测报告、成品检测报告、当班检测报告及汇总检测报告，我们可以根据系统使用工序不同，定制开发输出对应的检测报告。

检测报告的分级确认流程设计功能，若客户不需要检测报告确认流程时，检测报告可以直接生成PDF模式，用于后期的是审核或交付；若客户需要检测报告确认流程时，当班次检测完成后，提交至相关审批人员，审批人员点击确认按钮完成审批、确认、签字环节后生成PDF模式，用于后期的审核或交付。

检测报告的数据是按照逐根实时上传数据库的模式生成，用户可以随时查看、打印检测报告。

2.3 大数据分析及质量预警系统设计

数字化石油螺纹检测系统，利用SPC分析法，对螺纹生产全过程的数据实施监控，它能对生产过程进行分析评价[4]，根据反馈信息及时发现系统因素出现的征兆，并采取措施消除影响，使过程维持在仅受随机影响的受控状态，以达到控制质量的目的。

用户可以根据不同需求，按照筛选条件查看不同项目的分析图形，筛选条件包括：螺纹类型、扣型、规格/外径、壁厚、钢级、合同号、检测项、机台号、班组；用户可以随机组合产生IX-MR(单值移动极差图)、Xbar-R(均值极差图)、Xbar-s(均值标准差图)、P(用于可变样本量的不合格品率)、Np(用于固定样本量的不合格品数)、u(用于可变样本量的单位缺陷数)、c(用于固定量的缺陷数)等7种控制图[5]，利用八项判异准则[6]，将信息预警反馈给企业产品质量管理人员。

在实际螺纹检测作业过程中，采用的单项参数质量曲线图和预警灯双重预警模式，确保产品加工质量，单项参数质量曲线图可以将趋势提前反馈给数控机床操作人员，便于提前采取措施，降低企业成本；预警灯采用无线双向通讯模式，当参数不合格时，报警灯变为红色，来强制操作人员人为干预处理，保证不合格品不会产生非预期流转。

3 数字化石油螺纹检测系统测量验证

数字化石油螺纹检测系统属于检测仪器设备，因此应开展重复性和稳定性试验，并且因石油螺纹目前基本执行的是API相关标准，数字化石油螺纹检测系统还需同时满足API标准对螺纹检测仪器计量特性要求。

以外螺纹锥度测量仪稳定性试验为例，如图5所示，间隔1周连续51次测试，检测数据试验标准偏差为0.001 14 in。以齿高测量仪重复性试验为例，如图6所示，经短时间连续10次测试，检测数据极差为0.000 1 in。从重复性和稳定性试验结果分析，检测系统满足标准对重复性和稳定性的要求。

图5 外螺纹锥度测量仪稳定性试验

图6 齿高测量仪重复性试验

对检测系统中所有测量仪，选取适应的夹具工装在全自动指示表检定仪上，依据国家校准规范JJF 1063—2000《石油螺纹单项参数检查仪》进行全量程范围内校准，与对应的机械式测量仪校准结果比对见表2。从表中可看出，数字化石油螺纹检测系统满足国家校准规范要求，且示值偏差和重复性等计量特性均优于现有的机械式测量仪。

表2 数字化测量仪与机械式测量仪校准结果比对 mm

4 结论及建议

数字化石油螺纹检测系统可完全替代现有机械式石油螺纹单项参数检测仪器，满足产品标准中对其计量特性要求。本项目应用在油井管生产企业油套管生产线上可基本形成数字化石油螺纹检测能力，实现由传统检验模式向“数字化、自动化、智慧化”的检验模式的升级换代。

建议尽快对国家校准规范JJF 1063—2000《石油螺纹单项参数检查仪》进行修订，增加数字化石油螺纹检测系统用测量仪校准项目，确保新的检测系统可准确溯源至国家长度基准。