坑道钻探用钻杆额定扭矩测量值的不确定度评定

孙志林

（煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013）

0 引言

钻杆是坑道钻探设备的重要组成部分，是钻机向钻头传递能量的关键部件，钻杆在煤层三维空间中主要承受复杂交变的拉、压、扭、弯曲等载荷，若钻杆扭矩不满足设计要求，工作一段时间后就会失效。由于钻探施工一般采用一钻到底的工作方式，随着钻头的深入，需要逐渐增加钻杆，如果钻进过程因钻杆失效而造成钻杆断裂或脱落事故，不仅影响正常生产，而且还因打捞困难使事故恶化，造成人力、财力的损失，会给煤矿施工安全带来很大影响[1-4]。为从源头上保证钻杆质量，减少钻杆失效隐患，钻杆生产企业在出厂前必须进行定向钻杆扭矩测试。为了提高坑道钻探用钻杆额定扭矩测量数据的准确性、 可重复性，减小测量误差，本文对其测量不确定度进行分析研究。

1 建立不确定度数学模型

测量不确定度包括两类分量，一类是用统计方法计算的A 类分量， 用来对随机误差的分散程度做出评定；另一类是用非统计方法计算的B类分量，包括系统误差、仪器误差和粗差等，最后用方和根法对两类分量进行合成得到合成不确定度。 在钻杆测试中，A 类不确定度主要来源于重复性测试，B 类不确定度主要来源于人员操作、传感器精度、测试系统、安装同轴度、环境影响等[5-7]。在上述分析的基础上建立钻杆扭矩测量的不确定度数学模型，如公式（1）所示，式中参数单位均为N·m。

式中 N——扭矩

Nd——测量值

ΔNy——人员操作的影响

ΔNg——扭矩传感器的影响

ΔNz——安装同轴度的影响

ΔNh——环境的影响

ΔNc——测试软件的影响

2 不确定度评定

2.1 测量重复性引入的不确定度分量uA（N）

测量对象为某公司生产的φ73 mm 坑道钻探用钻杆，采用A 类不确定度方法对钻杆额定扭矩测量重复性进行评定，用贝塞尔公式计算标准偏差。

按照规定试验方法，重复测量钻杆额定扭矩8 次（n=8），试验数据见表1。

表1 扭矩测量重复性统计

将上述数据带入公式（2），得出单次测量标准偏差为6.46 N·m。 按标准规定，钻杆额定扭矩测试需重复测量3 次（m=3），取算术平均值作为测量结果， 则因重复性测量引入的A 类标准不确定度为：

2.2 扭矩传感器误差引入的不确定度分量uB1（ΔNg）

扭矩试验台所用传感器的测量精度为0.1%， 最大量程为20000 N·m， 则半宽度a1=20000×0.1%=20 N·m。 ，服从均匀分布，即由扭矩传感器误差引入的标准不确定度为:

2.3 安装同轴度偏差引入的不确定度分量uB2（ΔNz）

钻杆中心线与转矩传感器轴线存在偏差，按照以往测试经验估计，此项对额定扭矩测量结果影响为δ2=20 N·m，服从均匀分布，即由同轴度偏差引入的标准不确定度为:

2.4 检验员操作引入的不确定度分量uB3（ΔNy）

试验过程中检验员读取测试数据时会产出误差，进而影响测量结果，按照以往经验估计，对钻杆额定扭矩测量结果影响为δ3=10N·m，采用均匀分布估计，即由人员操作引入的标准不确定度为

2.5 试验环境引入的不确定度分量uB4（ΔNh）

试验场地温度、湿度等因素也会影响钻杆扭矩试验的测量结果，按照以往经验估计此项对测量结果影响为δ4=10 N·m，采用均匀分布估计，k=，即由试验环境引入的标准不确定度为

2.6 测试软件引入的不确定度分量uB5（ΔNc）

上位机软件程序、信号处理、零点漂移等会造成测试系统误差，按照以往经验，此项对扭矩测量结果影响为δ5=3 N·m， 采用均匀分布估计，，即由此引入的标准不确定度为:

2.7 合成标准不确定度评定

根据表2，合成标准不确定度uc（N）计算如下

表2 标准不确定度汇总表

2.8 扩展不确定度评定

扩展不确定度为合成标准不确定度乘包含因子，取置信概率p=95%（k=2），钻杆转矩测量的相对扩展不确定度为

U=kuc（N）=2×18.7=37.4 N·m

2.9 评定报告

通过以上分析和计算， 本次φ73mm 坑道钻探用钻杆额定扭矩测量结果的不确定度的评定结果表示为：

N=（153253.9±37.4）N·m，k=2

3 比对结果分析

En值是JJF 1117-2017《计量比对》中作为技术能力比对、实验室能力验证及测量审核等技术工作的唯一评价参数。En值表明的是参比实验室测量结果是否在参考值的特定测量不确定度中，当|En|≤1，参比实验室的测量结果与参考值之差在合理预期之内，比对结果可接受；当|En|＞1，参比实验室的测量结果与参考值之差没有达到合理预期，比对结果不可接受[5]。

钻杆生产企业在自建试验台上进行该批次钻杆的额定扭距出厂测试，为验证出厂检验的可靠性，采用En值对其进行比对，见公式（3）

式中 N——本次测量的额定扭矩，N·m

Nc——生产企业测量的扭矩，N·m

U——本次测量结果的扩展不确定度

Uc——企业测量结果的扩展不确定度

钻杆生产企业测得同批次扭矩测试值Nc=15375.6 N·m，，扩展不确定度为Uc=45.2 N·m。将以上参数带入公式（3）计算得|En|=0.89，比对结果为可接受，表明该企业钻杆试验台测试结果是可靠的。 但|En|已接近于1，钻杆生产企业有必要从检测设备、测试方法、环境条件、人员操作等方面进行分析并查找原因，使钻杆扭矩测试能力持续保持在较高水平。

4 结语

坑道钻探用钻杆广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采孔、探放水孔钻进作业，额定扭矩是钻杆关键性能参数。 为了提高测量数据的准确性，研究分析了钻杆额定扭矩测量的影响因素，建立不确定度数学模型，并以φ73 mm 坑道钻探用钻杆为研究对象，进行分量标准不确定度评定、合成以及扩展标准不确定度计算评定， 并通过En 值对企业实验室测试数据进行了比对。本文的研究为准确评价坑道钻探用钻杆额定扭矩测量结果提供了可行性方法。