石油螺纹的测量和检验

艾裕丰，冯 娜，马春莉，白小亮，李光峰，郭 涛，张 娟

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.渤海装备石油专用管公司 天津 300280)

0 引 言

石油工业用油井管由专用螺纹连接成数百米至数千米，甚至上万米长的管柱，包括钻柱、套管柱、油管柱[1]。油井管螺纹连接需要确保其结构完整性和密封完整性，不能在外力作用下使结构受到破坏，还要保证在各种不同受力状态下承受内外压差的长期作用而不泄漏。螺纹的质量对油气井的质量和寿命有着重要影响，必须通过加强螺纹参数(主要有综合参数紧密距、螺纹单项参数、螺纹几何尺寸)的测量和检验使油井管螺纹的质量符合要求。

1 石油螺纹测量和检验标准

API(美国石油学会)标准是目前国内石油管材生产制造、测量检验及企业认证的主要依据。中国石油工业螺纹测量检验的国家标准和行业标准也基本是等同或修改采用API的相应标准。主要的石油螺纹的测量和检验标准见表1。表1中标准1是螺纹缺欠与缺陷术语的依据；标准2～4是油管、套管螺纹测量和检验的依据；标准5、标准6是旋转台肩式螺纹测量和检验的依据；标准7～9是石油专用螺纹检验和测量用量具的校准规范。虽然标准2、标准5名称中都有加工二字，但并未给出加工步骤和工艺，仅是给出了各个位置、参数的名义值和公差要求。石油螺纹在进行参数检验之前，需要先用目视的方式对螺纹区域、常规倒角区域、管端、内螺纹端面及镗孔进行螺纹外观检验，以发现螺纹表面明显的制造缺陷或机械损伤。标准3、标准4中给出了螺纹撕裂、360°倒角不全等30余种缺欠。

表1 API石油专用螺纹的测量和检验标准

2 主要螺纹参数的测量和检验

2.1 螺纹紧密距

紧密距是在规定的安装力矩或者其他条件下，圆锥螺纹工件或量规上规定参考点/面间的轴向距离。紧密距使用螺纹量规进行测量，将螺纹量规视为具有基本牙型的一个假想螺纹，实际上反映了圆锥螺纹作用中径的大小，受到螺纹自身中径、锥度、螺距等多项参数的影响。石油螺纹量规制造企业国外主要有美国的PMC、日本KURODA和美国GSG等。国内主要有宝鸡石油机械有限责任公司、陕西航空宏峰精密机械工具有限责任公司、成都量具刃具集团有限公司、宝鸡市斯瑞特量具有限责任公司等。目前，全国在役石油螺纹工作量规约20 000套，各技术机构每年校准总和约18 000套，校对量规市场保有量约1 000套，全部由国家计量科学研究院和石油工业专用螺纹量规计量站校准。

在对石油螺纹量规紧密距进行校准时，旋合力对紧密距影响较大。旋转台肩式螺纹量规校准时，API Spec 7-2要求选用一定规格的扭矩锤、加力杆，扭矩锤自由落体锤击12次进行扭矩控制。油管、套管螺纹量规校准时，API Spec 5B按照正常人的臂力进行旋合控制。JJF 1108中给出了工作量规旋紧扭矩推荐值。经过对比分析(体重70 kg，身高175 cm，35岁青年男子进行试验)，使用扭矩扳手后，紧密距测量值小于手紧紧密距测量值。一般圆螺纹量规紧密距值减小约0.2 mm，偏梯形螺纹量规紧密距值减小约0.1 mm。油管、套管螺纹量规校准时按照一定扭矩进行控制可以显著提高紧密距校准结果的重复性、稳定性。但是现在JJF 1108中推荐的最大规格量规的扭矩值为最小规格量规扭矩值的10倍，该数值来源于国外油井管制造厂家的推荐扭矩值，还需要在大量的试验基础上制定科学合理的推荐扭矩值。

API Spec 7-2旋转台肩式螺纹量规有原始量规、地区量规、校对量规、工作量规之分，量规层级较多，量值溯源链较长。各级量规的自配紧密距公差均为±0.025 mm，互换紧密距公差均为±0.102 mm，公差设置不尽合理，不符合上一级标准器MPE一般为下一级计量器具1/3的要求。同一套工作量规，由于校对量规的差异，互换紧密距可能相差较大，不利于确保测量结果的准确性。部分校准机构在校准工作量规紧密距时对校准结果依据校对量规的偏离情况对校准结果进行修正。修正后有利于量值统一，但修正过程会增加工作量，降低校准效率，且进行修正在相关标准中并无依据。API Spec 7-2规定了旋转台肩式螺纹地区量规、校对量规、工作量规自配紧密距周期校准的磨损要求。API Spec 5B仅规定了校对校对量规自配紧密距磨损极限，对工作规未进行要求。JJF 1108参考校对规磨损极限对工作规进行要求。油、套管生产企业完全可以自主制定工作规磨损极限和报废时间，尽可能延长工作规的使用寿命。

螺纹量规硬度太低不耐磨损，硬度太高容易划伤待测量产品。API Spec 5B要求螺纹量规硬度为HRC60～HRC63，API Spec 7-2要求螺纹量规硬度≥HRC55，石油管材的硬度一般不大于HRC37，可见量规硬度均远大于石油管材的硬度。在抗硫管材及9in以上大规格套管螺纹接头紧密距检验时，螺纹量规划伤产品的现象时有发生。旋合之前，在螺纹上淋稀释后的螺纹脂能起到润滑作用，降低对产品的划伤。同一规格的长圆螺纹、短圆螺纹套管紧密距检验都使用短圆螺纹量规，套管管端凸出环规小端面的名义长度可以使用L4产品-L4量规-P1进行计算[2]，若计算结果为负值，表示套管管端凹入环规小端面。利用S-S1计算钻具内螺纹紧密距合格范围时，S值是使用校对量规的自配紧密距实际值还是紧密距名义值15.875 mm在标准中未进行明确规定，目前国内大多数生产企业使用的是自配紧密距实际值，建议标准对此指标进行明确规定。

标准规定的所有紧密距公差都仅在未进表面处理、冷加工、机紧前适用，这将导致成品交货给用户后，用户对该项目进行检验后无法进行判定。SY/T 5987—1994《钻杆国外订货技术条件》(现已废止)给出了镀铜后的紧密距合格范围，并规定螺纹表面磷化处理后的紧密距要求由用户与制造厂协商确定。为解决这一难题，建议各制造企业、技术机构、用户开展相关研究，找出变化的规律，给出参考数据并制定相应标准。

2.2 螺纹单项参数

石油螺纹单项参数，主要包括牙型高、牙顶高、螺距、锥度、螺纹顶径、螺纹椭圆度等，用石油螺纹单项参数测量仪器进行测量。单项参数测量仪的生产企业国外主要有美国ALLEN、GAGEMAKER公司，国内主要有西安泰锐精密机械科技有限公司、汉中万目仪电有限责任公司。

石油螺纹单项参数测量仪的计量特性要求见表2和表3。计量器具的校准依据JJF 1063中单项参数测量仪器示值误差最大差的要求为0.020/0.2 mm。实际是因为多数情况下校准间隔为0.2 mm，只计算了相邻校准点之间的示值误差变化量，而未计算全校准行程的示值误差最大差。API Spec 7-2是按照单项仪的种类对每一种单项仪规定了全量程的示值误差要求。API Spec 5B是按照单项仪的量程规定了其示值误差的要求，见表3。从表3可见，按照JJF进行校准并符合JJF要求的单项仪不一定能满足API标准的要求。内螺纹锥度测量仪有接杆式和枪式两种，其传动结构不同，接杆式内螺纹锥度测量仪的精度相对容易保证，枪式内螺纹锥度测量仪的精度不容易控制在0.025 mm以内。JB/T 10346—2017对枪式内螺纹锥度测量仪给出的精度要求是0.045 mm，这一要求结合了量具生产实际情况，但不符合API标准对量具的要求，不能满足钻具螺纹产品公差控制的要求。量具制造企业应开展研究，进一步提高枪式内螺纹锥度测量仪的精度水平。

表2 不同标准对单项参数测量仪计量性能要求

表3 API Spec 5B对单项参数测量仪计量性能要求

现行API 标准中的螺纹单项参数公差在30～40 年前就已制定，石油螺纹加工水平不断提高，但标准要求几乎未发生变化，仅API Spec 5B—2017将螺纹牙型高度偏差由原来的(-0.102～+0.051)mm变更为±0.051 mm。目前部分用户结合制造企业实际控制水平，制定了自己的采购技术要求，不同标准及企业的圆螺纹套管参数控制要求见表4。为减少失效事故的发生，建议结合企业加工水平，严格控制产品质量，适当减小螺纹单项参数的公差范围。

表4 圆螺纹套管螺纹单项参数控制要求

螺距、牙型高度、顶径、牙型厚度等需要使用标准块对零后进行测量的参数，都是属于相对测量，即对偏差值进行测量，偏差值的正负号判断就显得尤为重要，必须掌握正确的确定原则。结合活动测球/测靴位置的变化后两个测球/测靴之间距离大小的变化和表盘指针转动方向(顺时针或逆时针)的变化可进行准确判断。外螺纹锥度测量时，活动测杆受到压缩，指针顺时针转动会出现转折点，内螺纹锥度测量时，活动测杆自然释放，指针逆时针转动会出现转折点。在相对测量的项目标准块校准后的量具确认结论可以有符合标准要求、考虑不确定度后符合标准要求、考虑不确定度后仍然不符合标准要求三种情况。考虑不确定度后仍然不符合标准要求的标准块如果要使用一定要按照校准结果进行实际修正。如果测量者按照校准值在对零时直接考虑标准块偏差，那么对测量结果就不会有影响。当然也可以在对零的时候不予考虑偏差值，直接对测量结果进行修正，但是一定要注意修正值和偏差值的关系。

对油管、套管中的圆螺纹和旋转台肩式螺纹，锥度、螺距测量要求接触螺纹牙侧而不接触牙底，牙型高度的测量要求接触真实的牙底。螺距和锥度的测球直径可用最佳测球的直径公式进行计算，结果和测量牙顶高标准块MOW值所用的量针直径一致。但API Spec 5B中10牙圆螺纹锥度、螺距测球直径由于英制数据修约和有效位数不足的原因，导致数据有误。优先选用旋转台肩螺纹的牙型高度测量触头均为球形，如果实际测球直径比标准要求值小，可以接触真实牙底，不会影响测量结果。如果测球直径比标准要求值大，会导致测量时接触不到真实的牙底，使测量结果偏小，发生较大误差。标准中测球直径公差均为±0.05 mm。但是圆螺纹牙顶高参数公差为±0.038 mm，对零时要求牙顶高标准块U型槽和V型槽对零时读数变化不超过±0.013 mm，圆螺纹牙顶高测球直径公差按照±0.05 mm控制满足不了产品质量控制的要求。

螺纹平均顶径和螺纹椭圆度是为了严格控制油套管产品的质量，API Spec 5B新增加的检验项目。标准规定外螺纹顶径测量位置为LC-0.3125 in(1 in=25.4 mm)处(0.3125 in通常为半个测靴的长度)，因为圆螺纹Lc不允许存在黑顶螺纹，偏梯形螺纹Lc内仅允许存在两牙黑顶螺纹(长度不超过周长的25%)，所以测量位置基本能保证都是完整螺纹。顶径测量仪在标准块/杆上对零时在寻找最小值，而在螺纹上测量是在寻找最大值，即测量和对零时出现转折点的指针转动方向不同。为了求得真实的螺纹椭圆度，需要得到一圆周的顶径数据，这将大大降低测量效率。如果将螺纹设定为一个标准的椭圆，则可以通过数组顶径测量数据，用数学的方法回归出这个椭圆，然后在计算出的长轴和短轴方向进行验证性测量，可以提高测量效率。标准未给出单个顶径最大值或最小值的要求，但考虑到最大/最小顶径、平均顶径、椭圆度之间的数学关系，可推导出标准规定的平均顶径上限+1/2标准规定的最大椭圆度，为螺纹顶径测量结果的上限要求，超过该值将导致平均顶径或者椭圆度中至少一项超差[3]。标准中考虑椭圆度带来的紧密距额外变化量，并非某一规格螺纹都用同一额外增加量，而是和该根管子的自身椭圆度密切相关。工厂在加工控制时候可对管子椭圆度进行统计分析。利用能达到的最优(最小)椭圆度计算出额外变化量，将这一规格螺纹的紧密距椭圆度增大量据此控制。如果满足这一要求，那么实际加工出的套管螺纹紧密距考虑椭圆度影响后也将合格。

2.3 几何尺寸

石油螺纹的几何尺寸，通常用游标卡尺、游标深度尺等量具进行测量，进口的有德国MARH、瑞士丹青，国内主要有哈尔滨量具刃具集团有限公司、成都成量工具集团有限公司等。

圆螺纹管端至消失点长度L4测量的时候由于出现断扣，L4的测量值应该计算到管子上最后划痕的地方还是计算到开始出现中断的地方呢？一种观点认为断开点之后的部分仍然是因为螺纹加工才形成的划痕，应该计算到管子上最后划痕的地方。另一种观点认为螺纹的定义为“在圆柱或圆锥表面上，具有相同牙型、沿螺旋线连续凸起的牙体”，那么断开之后的部分不符合定义中连续的概念，就不能计算。测量需要从螺纹定义出发，后一种观点更为合理。

从管端起全顶螺纹最小长度Lc的检验在通常情况下无需直接测量出全顶螺纹的长度，而是将游标深度尺调节到标准要求的最小长度值，再将游标深度尺沿着轴线绕螺纹一周，确保完整螺纹长度不小于该值即可。

旋转台肩式螺纹连接的台肩面应垂直于螺纹轴线，其垂直度公差不超过0.05 mm。通常垂直度测量是和紧密距测量同时进行，从互相垂直的两个方向同时测量紧密距，将这两个紧密距的差值作为测量的垂直度。

3 石油螺纹检测仪器设备发展的趋势

石油螺纹检测仪器将朝着自动化、智能化的方向发展，利用光电测量、成像分析、比对测量等多种技术手段，将部分/全部螺纹参数通过一台仪器一次完成自动测量，测量结果不受人为操作的影响。API Spec 5B第17版中将增加对油管、套管螺纹的光学测量部分内容。

石油管工程技术研究院综合应用电容传感器测量技术、数据无线传输技术、物联网技术、质量数据统计与应用分析等先进技术成功研制了具备无线传输功能的数字化石油螺纹检测系统，可实现石油螺纹检测、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。

4 结 论

1)石油工业对螺纹的质量要求较高，须通过加强螺纹参数检验进一步确保石油螺纹的质量。API标准是国内石油管材生产制造、测量检验及企业认证的主要依据。

2)旋转台肩式螺纹量规层级较多，公差设置不尽合理。油管、套管螺纹量规紧密距校准需要在试验基础上制定合理的推荐扭矩值。应研究解决大规格量规划伤产品螺纹及螺纹表面处理后紧密距无公差范围的问题。

3)随着石油螺纹加工水平的不断提高，螺纹单项参数的公差要求应当适当减小。石油螺纹单项参数的相对测量应注意量具的正负号、测球直径和标准量块偏差进行修正的问题。符合JJF 1063标准要求的单项参数测量仪不一定能满足API标准的要求。

4)偏梯形螺纹的L4由于螺纹类型的原因，无公差要求，无需进行测量。圆螺纹L4应当从管子端面测量到螺纹开始出现中断的地方。Lc无需测量出具体数值，只要满足比最小值大即可。

5)石油螺纹检测仪器设备将朝着自动化、智能化的方向发展，测量结果将实现数字化、智能化和网络化。