石油管螺纹自动测量技术的发展现状与展望*

潘存强，陈 林，万 佳，王 旭

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2.雷尼绍（上海）贸易有限公司，上海 200436）

螺纹是工业制造、工程建设领域中广泛应用的连接紧固件，各类机械结构、输送管道80%以上是通过螺纹啮合连接。螺纹连接的质量水平直接影响到油气勘探、开采的作业安全及作业效率。2019年全球无缝油套管表观消费量1 068万t［1］，焊接油套管表观消费量394万t［2］，预计每年有超过1亿头的螺纹服役于油气行业的勘探与开采作业。一个细微的螺纹质量不合格，极端情况下会导致巨额财务损失、人员伤亡甚至环境灾难。在强化人员职业技能的同时，运用技术手段提升生产线螺纹检测精度及检验效率，是行业领先企业的攻关方向。宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）在这方面获得了重大研究进展。

1 石油管行业螺纹自动测量的历程

随着全球对油气资源的需求进一步扩大，油气开采的技术难度也一再突破技术极限，对连接强度及效率相关的螺纹质量也提出了苛刻的要求。为控制产品质量风险，各油井管生产商及研究机构一直在探索石油管螺纹自动测量技术，API（American Petroleum Institute，美国石油协会）将螺纹测量自动化作为技术方向，专门组织人员攻关。从测量技术来分类，螺纹测量分为非接触式与接触式测量。

非接触式测量是伴随着光电测量与成像，计算机图像处理技术发展起来的新型测量技术。测量元件与被测工件无接触，具有不磨损、测量效率高等优点，缺点是测量精度跟被测件的表面质量（包括折光率、发射率）、光线行进路径干扰（光线反射死角）及环境光源污染，检测元件与工件的相对位置（同轴、同心）等因素相关。接触式测量伴随机械加工技术经历长时间发展和演化，测量方法的原理研究及实践经验方面更成熟。接触式测量都带有不同类型的探头，通过探头在零件表面触动/滑动感知零件表面形貌变化，这类测量装备可以检测平滑曲面和平面的质量，探头越小，感知精度越精确，轮廓仪可以精确测定物体表面的起伏变化；三坐标测量机可通过规划轨迹测量较复杂的机械加工表面。

20世纪90年代末宝钢股份联合北京工业大学研制了接箍内螺纹自动接触式扫描测量装置［3］，分在线式与便携式两种，在线式接箍内螺纹扫描测量装置安装在生产线上批量测量接箍。中国石油石油管工程技术研究院联合西安理工大学集合计算机控制技术和三坐标扫描测量技术［4］，研发了一种适用于生产现场的螺纹自动测量装置。大庆石油学院兰爽采用远心放大投影光路获得螺纹齿形图像［5］，通过滤波、比对处理等图像处理技术对螺纹进行几何尺寸测量与分析。哈尔滨工业大学吕东方提出了用激光检测螺纹参数的方法［6］。近期，国外相关企业及行业协会也投入大量的资源研发自动测量装备。API协会在2018年度工作会议中通过了将螺纹自动测量纳入标准的提案，成立WI3086a工作组专项推进。美国Autonetics公司研制的在线螺纹自动测量样机已开始进行市场推广，该装备采用线激光投影测量技术，据其介绍，已经在美国某钢铁公司投入运行。机床制造商埃马克（EMAG）公司已经在奥地利某工厂投运了接箍螺纹自动测量设备，通过反光镜加线激光实现了对内螺纹参数的测量。

经过几十年的技术发展，螺纹自动测量在测量原理及技术方案上已经有了长足的进步，测量装备在现场环境的适应性方面还有很长的路要走。截至目前，行业内尚未有成熟的适用于生产车间长期服役的自动螺纹检验装置和检验工艺。

2018年起宝钢股份与测量行业领先企业英国雷尼绍（Renishaw）公司合作，尝试在车间工况下实现螺纹自动测量，经过两年的努力，在内螺纹测量方面获得阶段性成绩。在生产现场进行的测量系统评价结果表明，该方案已经符合工程化应用条件。

2 相对测量的数字化及自动化拓展

2.1 相对测量及适用条件

检测设备和待检测工件的热变形是车间测量不确定性的最大因素。昼夜变化和季节变化都存在温度波动，随着环境温度的变化，检测设备和工件将以不同的速率膨胀/收缩。通常24℃下测量工件得到的尺寸要大于在20℃下测量的尺寸。一个长度为300 mm的铝制工件在4℃的温差范围将线性膨胀27.6μm。现实情况下，很少有车间能够全年稳定维持不超过4℃的环境温差。相对测量法可以将温度波动对测量精度的影响降低到最小。

相对测量（relative measuring method）是指先根据被测对象特征选择经校正的计量器具，用该计量器具检测并获得标准信号参数A，然后通过测量被测对象获得被测对象的信号参数B，将A与B相比较可以获得被测对象的定性及定量结果。

英国雷尼绍公司生产的比对仪（Equator）是一款采用相对测量法的多功能测量仪器，适用于车间工况下的通用型量具，测量精度达到三坐标测量机水平，测量效率远高于三坐标测量机。

比对仪的测量原理是：将一个已知的基准件置于与生产件相同的热条件下并以相同的方式固定，首先在20℃的温控校准实验室内测量基准件，以获得基准件的真实尺寸；随后在任意温度下用量具重新测量此基准件，无论量具的示值是多少，均被标定为20℃时的尺寸，此过程称为重新校准。每次在任何给定温度下重新校准量具后，在量具上进行下一次测量得到的结果便相当于在20℃的实验室中测量得到的结果。如果温度变化超过关键阈值，必须重新测量基准件，实现这一点即可确保比对量具不受温度变化影响。环境温度变化率决定了重新校准频率。比对仪与三坐标测量机比较见表1。

表1 比对仪与三坐标测量机的比较

2.2 比对仪测量的流程及准则

（1）取样。从现场生产的产品中随机取一件螺纹，表面清洗干净后作为测量的基准件R。

（2）在温控条件下获取基准件的特征值及过程数据。在实验室环境下用三坐标测量机，采用测量规范P，测量基准件R，测得特征值F0，获得过程数据文件D0。

（3）生产现场环境下，用基准件校准测量系统。将三坐标测量机产生的过程数据文件D0导入比对仪（图1），选择比对仪的标准件（MASTER）模式，采用测量规范P，测量基准件R，获得测量数据f0，记录当前温度T0，得到过程数据文件d0。

图1 比对仪示意

（4）生产现场环境下，比较测量工件。选择比对仪的测量（MEASURE）模式，用测量规范P测量工件W的特征F，得到测量数据f1，测量数据Δf=f1-f0就是测量件W与基准件R测量差异，通过测量数据与特征数据的转换，可以得到测量件W的特征值F1。监控当前温度T1，如果T1与T0的差值超过阈值，在测量工件前先执行第3步。

（5）确保测量精度的三相同/相似原则。

①温度相同/相似。温度波动对测量仪器及被测工件均有显著影响，通过制定标准件（MASTER）模式与测量（MEASURE）模式之间温度阈值，来消除温度效应对测量精度及重复性的影响。按照API尺寸公差精度范围，通常将温差控制在±2℃以内。当测量过程中温度波动超出阈值，需要重新校准测量系统。

②特征值相同/相似。尽量选择基准件的特征值等于名义值。假设测量件特征值F0与基准件特征值F1相等，则在相同温度条件下标准件模式下的测量数据f0与测量模式下的f1相等，f1与f0的差值越大，则测量过程中引入的比较误差就越大。

③测量轨迹的空间位置相同/相似。假设基准件与测量件的摆放位置不一致，则测量轨迹在测量机器坐标系中的空间位置也不能保持一致，引入的空间误差不能确定。为控制此类误差，需要将测量过程的定位精度控制在±1 mm以内。

3 测量系统的重复性和可靠性

3.1 测量设备Cg及Cgk

按照比对仪测量流程及准则的要求，从现场任意取一个接箍作为基准件。在温控校准的实验室用测量机测量基准件的质量参数，包括齿高、螺距、锥度，密封面直径、中径等；将基准件放置在现场工况下，用标准件模式测量基准件，完成对测量系统的校准工作；另取一个接箍，在现场工况下，用测量模式重复测25次，评价测量设备的重复精度能力系数Cg及准确精度能力系数Cgk。

3.1.1 评定方法1（极差法）

同一工件，连续测量25次，将25次的测量结果最大差值作为误差评定指标，即25次测量值分别为L1，L2…L25，取最大测量值为Lmax，最小测量值为Lmin，则极差值V=Lmax-Lmin，极差法评价时V≤10%T（T为被检项目公差），极差法量具评估结果见表2。评价结论：测量极差均小于公差的10%，测量系统合格。

3.1.2 评定方法2（测量Cg或Cgk）

采用Cg或Cgk作为评价指标，计算公式为：

式中K——缩小系数，一般取0.2；

T——允许的测量结果分布宽度，mm；

XE——样件的实际尺寸，mm；

X——平均测量值，mm；

S——标准偏差，mm。

通常Cg或Cgk∧1.33表示该量具合格。量具Cg及Cgk评估结果见表2。评价结论：Cg及Cgk远大于1.33，测量系统合格。

表2 极差法量具评估和量具Cg及Cgk评估结果

3.2 测量系统的重复性和再现性

量具重复性（Repeatability），一个评价人多次使用同一件量具，对同一零件某一特性进行多次测量下的变差，测量数据必须由同一人员、同一产品、同一环境、同一位置、同一仪器、短期时间内测得。再现性（Reproducibility），由不同评价人使用相同的量具，测量一个零件一个特性的测量平均值的变差，测量数据必须由不同人员在同一产品、同一环境、同一位置、同一仪器、较长时间段内测得。

根据汽车工业行动小组（AIAG）的《测量系统分析 参考手册（第四版）》推荐的测量系统数据采集计划，挑选10个接箍，安排3个作业人员，对每个接箍的螺距、齿高、中径、锥度、密封面直径、齿宽6个指标测量3次，每个指标共计90个数据，将采集数据用Minitab软件计算测量系统的重复性和再现性（Gauge Repeatability & Reproducibility，缩写GR&R）见表3。

表3 测量系统GR&R汇总

根据汽车工业行动小组的《测量系统分析 参考手册（第四版）》对GR&R的判据：①如果GR&R小于所测零件公差的10%，那么测量系统可以接受；②如果GR&R大于所测零件公差的10%而小于20%，那么测量系统是可以接受的；③如果GR&R大于所测零件公差的20%而小于30%，那么接受的依据是数据测量系统的重要程度和改善所花费的商业成本；④如果GR&R大于所测零件公差的30%，此测量系统不能接受，并且需要进行改善。

比对仪自动测量接箍质量参数，测量系统稳定，量具的重复性和再现性可以接受。测量系统GR&R中径和密封面直径计算结果如图2～3所示。

图2 测量系统GR&R中径计算结果

4 新技术对行业发展的影响与展望

石油管螺纹自动测量在生产现场的工业化应用实现突破后，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，跟产品规格相关、种类繁多的量具不再必需。

（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。

长期来说，石油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。内外螺纹三维数据的采集具备了数字化装配的技术条件，前期对API偏梯内螺纹紧密距的计算，数据拟合紧密距跟塞规测量数据的偏差已经小于0.4 mm。

（2）缩短研发周期，降低研发成本。①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；②开发及优化设计方案过程中无须配套专用量具。

（3）用户不需要准备各种验收、测量量具，减少用户端使用成本。

（4）对加工数据的发掘，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。

图3 测量系统GR&R密封面直径计算结果