艾裕豐，馮 娜，馬春莉，白小亮，李光峰，郭 濤，張 娟

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.渤海裝備石油專用管公司 天津 300280)

0 引 言

石油工業(yè)用油井管由專用螺紋連接成數(shù)百米至數(shù)千米，甚至上萬米長的管柱，包括鉆柱、套管柱、油管柱[1]。油井管螺紋連接需要確保其結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性，不能在外力作用下使結(jié)構(gòu)受到破壞，還要保證在各種不同受力狀態(tài)下承受內(nèi)外壓差的長期作用而不泄漏。螺紋的質(zhì)量對油氣井的質(zhì)量和壽命有著重要影響，必須通過加強(qiáng)螺紋參數(shù)(主要有綜合參數(shù)緊密距、螺紋單項(xiàng)參數(shù)、螺紋幾何尺寸)的測量和檢驗(yàn)使油井管螺紋的質(zhì)量符合要求。

1 石油螺紋測量和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

API(美國石油學(xué)會)標(biāo)準(zhǔn)是目前國內(nèi)石油管材生產(chǎn)制造、測量檢驗(yàn)及企業(yè)認(rèn)證的主要依據(jù)。中國石油工業(yè)螺紋測量檢驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也基本是等同或修改采用API的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。主要的石油螺紋的測量和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1中標(biāo)準(zhǔn)1是螺紋缺欠與缺陷術(shù)語的依據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)2～4是油管、套管螺紋測量和檢驗(yàn)的依據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)5、標(biāo)準(zhǔn)6是旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋測量和檢驗(yàn)的依據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)7～9是石油專用螺紋檢驗(yàn)和測量用量具的校準(zhǔn)規(guī)范。雖然標(biāo)準(zhǔn)2、標(biāo)準(zhǔn)5名稱中都有加工二字，但并未給出加工步驟和工藝，僅是給出了各個位置、參數(shù)的名義值和公差要求。石油螺紋在進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)之前，需要先用目視的方式對螺紋區(qū)域、常規(guī)倒角區(qū)域、管端、內(nèi)螺紋端面及鏜孔進(jìn)行螺紋外觀檢驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)螺紋表面明顯的制造缺陷或機(jī)械損傷。標(biāo)準(zhǔn)3、標(biāo)準(zhǔn)4中給出了螺紋撕裂、360°倒角不全等30余種缺欠。

表1 API石油專用螺紋的測量和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2 主要螺紋參數(shù)的測量和檢驗(yàn)

2.1 螺紋緊密距

緊密距是在規(guī)定的安裝力矩或者其他條件下，圓錐螺紋工件或量規(guī)上規(guī)定參考點(diǎn)/面間的軸向距離。緊密距使用螺紋量規(guī)進(jìn)行測量，將螺紋量規(guī)視為具有基本牙型的一個假想螺紋，實(shí)際上反映了圓錐螺紋作用中徑的大小，受到螺紋自身中徑、錐度、螺距等多項(xiàng)參數(shù)的影響。石油螺紋量規(guī)制造企業(yè)國外主要有美國的PMC、日本KURODA和美國GSG等。國內(nèi)主要有寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、陜西航空宏峰精密機(jī)械工具有限責(zé)任公司、成都量具刃具集團(tuán)有限公司、寶雞市斯瑞特量具有限責(zé)任公司等。目前，全國在役石油螺紋工作量規(guī)約20 000套，各技術(shù)機(jī)構(gòu)每年校準(zhǔn)總和約18 000套，校對量規(guī)市場保有量約1 000套，全部由國家計(jì)量科學(xué)研究院和石油工業(yè)專用螺紋量規(guī)計(jì)量站校準(zhǔn)。

在對石油螺紋量規(guī)緊密距進(jìn)行校準(zhǔn)時，旋合力對緊密距影響較大。旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋量規(guī)校準(zhǔn)時，API Spec 7-2要求選用一定規(guī)格的扭矩錘、加力桿，扭矩錘自由落體錘擊12次進(jìn)行扭矩控制。油管、套管螺紋量規(guī)校準(zhǔn)時，API Spec 5B按照正常人的臂力進(jìn)行旋合控制。JJF 1108中給出了工作量規(guī)旋緊扭矩推薦值。經(jīng)過對比分析(體重70 kg，身高175 cm，35歲青年男子進(jìn)行試驗(yàn))，使用扭矩扳手后，緊密距測量值小于手緊緊密距測量值。一般圓螺紋量規(guī)緊密距值減小約0.2 mm，偏梯形螺紋量規(guī)緊密距值減小約0.1 mm。油管、套管螺紋量規(guī)校準(zhǔn)時按照一定扭矩進(jìn)行控制可以顯著提高緊密距校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性、穩(wěn)定性。但是現(xiàn)在JJF 1108中推薦的最大規(guī)格量規(guī)的扭矩值為最小規(guī)格量規(guī)扭矩值的10倍，該數(shù)值來源于國外油井管制造廠家的推薦扭矩值，還需要在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上制定科學(xué)合理的推薦扭矩值。

API Spec 7-2旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋量規(guī)有原始量規(guī)、地區(qū)量規(guī)、校對量規(guī)、工作量規(guī)之分，量規(guī)層級較多，量值溯源鏈較長。各級量規(guī)的自配緊密距公差均為±0.025 mm，互換緊密距公差均為±0.102 mm，公差設(shè)置不盡合理，不符合上一級標(biāo)準(zhǔn)器MPE一般為下一級計(jì)量器具1/3的要求。同一套工作量規(guī)，由于校對量規(guī)的差異，互換緊密距可能相差較大，不利于確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。部分校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在校準(zhǔn)工作量規(guī)緊密距時對校準(zhǔn)結(jié)果依據(jù)校對量規(guī)的偏離情況對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行修正。修正后有利于量值統(tǒng)一，但修正過程會增加工作量，降低校準(zhǔn)效率，且進(jìn)行修正在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并無依據(jù)。API Spec 7-2規(guī)定了旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋地區(qū)量規(guī)、校對量規(guī)、工作量規(guī)自配緊密距周期校準(zhǔn)的磨損要求。API Spec 5B僅規(guī)定了校對校對量規(guī)自配緊密距磨損極限，對工作規(guī)未進(jìn)行要求。JJF 1108參考校對規(guī)磨損極限對工作規(guī)進(jìn)行要求。油、套管生產(chǎn)企業(yè)完全可以自主制定工作規(guī)磨損極限和報廢時間，盡可能延長工作規(guī)的使用壽命。

螺紋量規(guī)硬度太低不耐磨損，硬度太高容易劃傷待測量產(chǎn)品。API Spec 5B要求螺紋量規(guī)硬度為HRC60～HRC63，API Spec 7-2要求螺紋量規(guī)硬度≥HRC55，石油管材的硬度一般不大于HRC37，可見量規(guī)硬度均遠(yuǎn)大于石油管材的硬度。在抗硫管材及9in以上大規(guī)格套管螺紋接頭緊密距檢驗(yàn)時，螺紋量規(guī)劃傷產(chǎn)品的現(xiàn)象時有發(fā)生。旋合之前，在螺紋上淋稀釋后的螺紋脂能起到潤滑作用，降低對產(chǎn)品的劃傷。同一規(guī)格的長圓螺紋、短圓螺紋套管緊密距檢驗(yàn)都使用短圓螺紋量規(guī)，套管管端凸出環(huán)規(guī)小端面的名義長度可以使用L4產(chǎn)品-L4量規(guī)-P1進(jìn)行計(jì)算[2]，若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，表示套管管端凹入環(huán)規(guī)小端面。利用S-S1計(jì)算鉆具內(nèi)螺紋緊密距合格范圍時，S值是使用校對量規(guī)的自配緊密距實(shí)際值還是緊密距名義值15.875 mm在標(biāo)準(zhǔn)中未進(jìn)行明確規(guī)定，目前國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)使用的是自配緊密距實(shí)際值，建議標(biāo)準(zhǔn)對此指標(biāo)進(jìn)行明確規(guī)定。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有緊密距公差都僅在未進(jìn)表面處理、冷加工、機(jī)緊前適用，這將導(dǎo)致成品交貨給用戶后，用戶對該項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)后無法進(jìn)行判定。SY/T 5987—1994《鉆桿國外訂貨技術(shù)條件》(現(xiàn)已廢止)給出了鍍銅后的緊密距合格范圍，并規(guī)定螺紋表面磷化處理后的緊密距要求由用戶與制造廠協(xié)商確定。為解決這一難題，建議各制造企業(yè)、技術(shù)機(jī)構(gòu)、用戶開展相關(guān)研究，找出變化的規(guī)律，給出參考數(shù)據(jù)并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 螺紋單項(xiàng)參數(shù)

石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)，主要包括牙型高、牙頂高、螺距、錐度、螺紋頂徑、螺紋橢圓度等，用石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)測量儀器進(jìn)行測量。單項(xiàng)參數(shù)測量儀的生產(chǎn)企業(yè)國外主要有美國ALLEN、GAGEMAKER公司，國內(nèi)主要有西安泰銳精密機(jī)械科技有限公司、漢中萬目儀電有限責(zé)任公司。

石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)測量儀的計(jì)量特性要求見表2和表3。計(jì)量器具的校準(zhǔn)依據(jù)JJF 1063中單項(xiàng)參數(shù)測量儀器示值誤差最大差的要求為0.020/0.2 mm。實(shí)際是因?yàn)槎鄶?shù)情況下校準(zhǔn)間隔為0.2 mm，只計(jì)算了相鄰校準(zhǔn)點(diǎn)之間的示值誤差變化量，而未計(jì)算全校準(zhǔn)行程的示值誤差最大差。API Spec 7-2是按照單項(xiàng)儀的種類對每一種單項(xiàng)儀規(guī)定了全量程的示值誤差要求。API Spec 5B是按照單項(xiàng)儀的量程規(guī)定了其示值誤差的要求，見表3。從表3可見，按照J(rèn)JF進(jìn)行校準(zhǔn)并符合JJF要求的單項(xiàng)儀不一定能滿足API標(biāo)準(zhǔn)的要求。內(nèi)螺紋錐度測量儀有接桿式和槍式兩種，其傳動結(jié)構(gòu)不同，接桿式內(nèi)螺紋錐度測量儀的精度相對容易保證，槍式內(nèi)螺紋錐度測量儀的精度不容易控制在0.025 mm以內(nèi)。JB/T 10346—2017對槍式內(nèi)螺紋錐度測量儀給出的精度要求是0.045 mm，這一要求結(jié)合了量具生產(chǎn)實(shí)際情況，但不符合API標(biāo)準(zhǔn)對量具的要求，不能滿足鉆具螺紋產(chǎn)品公差控制的要求。量具制造企業(yè)應(yīng)開展研究，進(jìn)一步提高槍式內(nèi)螺紋錐度測量儀的精度水平。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對單項(xiàng)參數(shù)測量儀計(jì)量性能要求

表3 API Spec 5B對單項(xiàng)參數(shù)測量儀計(jì)量性能要求

現(xiàn)行API 標(biāo)準(zhǔn)中的螺紋單項(xiàng)參數(shù)公差在30～40 年前就已制定，石油螺紋加工水平不斷提高，但標(biāo)準(zhǔn)要求幾乎未發(fā)生變化，僅API Spec 5B—2017將螺紋牙型高度偏差由原來的(-0.102～+0.051)mm變更為±0.051 mm。目前部分用戶結(jié)合制造企業(yè)實(shí)際控制水平，制定了自己的采購技術(shù)要求，不同標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)的圓螺紋套管參數(shù)控制要求見表4。為減少失效事故的發(fā)生，建議結(jié)合企業(yè)加工水平，嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，適當(dāng)減小螺紋單項(xiàng)參數(shù)的公差范圍。

表4 圓螺紋套管螺紋單項(xiàng)參數(shù)控制要求

螺距、牙型高度、頂徑、牙型厚度等需要使用標(biāo)準(zhǔn)塊對零后進(jìn)行測量的參數(shù)，都是屬于相對測量，即對偏差值進(jìn)行測量，偏差值的正負(fù)號判斷就顯得尤為重要，必須掌握正確的確定原則。結(jié)合活動測球/測靴位置的變化后兩個測球/測靴之間距離大小的變化和表盤指針轉(zhuǎn)動方向(順時針或逆時針)的變化可進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。外螺紋錐度測量時，活動測桿受到壓縮，指針順時針轉(zhuǎn)動會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，內(nèi)螺紋錐度測量時，活動測桿自然釋放，指針逆時針轉(zhuǎn)動會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在相對測量的項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)塊校準(zhǔn)后的量具確認(rèn)結(jié)論可以有符合標(biāo)準(zhǔn)要求、考慮不確定度后符合標(biāo)準(zhǔn)要求、考慮不確定度后仍然不符合標(biāo)準(zhǔn)要求三種情況?？紤]不確定度后仍然不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的標(biāo)準(zhǔn)塊如果要使用一定要按照校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)際修正。如果測量者按照校準(zhǔn)值在對零時直接考慮標(biāo)準(zhǔn)塊偏差，那么對測量結(jié)果就不會有影響。當(dāng)然也可以在對零的時候不予考慮偏差值，直接對測量結(jié)果進(jìn)行修正，但是一定要注意修正值和偏差值的關(guān)系。

對油管、套管中的圓螺紋和旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋，錐度、螺距測量要求接觸螺紋牙側(cè)而不接觸牙底，牙型高度的測量要求接觸真實(shí)的牙底。螺距和錐度的測球直徑可用最佳測球的直徑公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果和測量牙頂高標(biāo)準(zhǔn)塊MOW值所用的量針直徑一致。但API Spec 5B中10牙圓螺紋錐度、螺距測球直徑由于英制數(shù)據(jù)修約和有效位數(shù)不足的原因，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有誤。優(yōu)先選用旋轉(zhuǎn)臺肩螺紋的牙型高度測量觸頭均為球形，如果實(shí)際測球直徑比標(biāo)準(zhǔn)要求值小，可以接觸真實(shí)牙底，不會影響測量結(jié)果。如果測球直徑比標(biāo)準(zhǔn)要求值大，會導(dǎo)致測量時接觸不到真實(shí)的牙底，使測量結(jié)果偏小，發(fā)生較大誤差。標(biāo)準(zhǔn)中測球直徑公差均為±0.05 mm。但是圓螺紋牙頂高參數(shù)公差為±0.038 mm，對零時要求牙頂高標(biāo)準(zhǔn)塊U型槽和V型槽對零時讀數(shù)變化不超過±0.013 mm，圓螺紋牙頂高測球直徑公差按照±0.05 mm控制滿足不了產(chǎn)品質(zhì)量控制的要求。

螺紋平均頂徑和螺紋橢圓度是為了嚴(yán)格控制油套管產(chǎn)品的質(zhì)量，API Spec 5B新增加的檢驗(yàn)項(xiàng)目。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外螺紋頂徑測量位置為LC-0.3125 in(1 in=25.4 mm)處(0.3125 in通常為半個測靴的長度)，因?yàn)閳A螺紋Lc不允許存在黑頂螺紋，偏梯形螺紋Lc內(nèi)僅允許存在兩牙黑頂螺紋(長度不超過周長的25%)，所以測量位置基本能保證都是完整螺紋。頂徑測量儀在標(biāo)準(zhǔn)塊/桿上對零時在尋找最小值，而在螺紋上測量是在尋找最大值，即測量和對零時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的指針轉(zhuǎn)動方向不同。為了求得真實(shí)的螺紋橢圓度，需要得到一圓周的頂徑數(shù)據(jù)，這將大大降低測量效率。如果將螺紋設(shè)定為一個標(biāo)準(zhǔn)的橢圓，則可以通過數(shù)組頂徑測量數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)的方法回歸出這個橢圓，然后在計(jì)算出的長軸和短軸方向進(jìn)行驗(yàn)證性測量，可以提高測量效率。標(biāo)準(zhǔn)未給出單個頂徑最大值或最小值的要求，但考慮到最大/最小頂徑、平均頂徑、橢圓度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均頂徑上限+1/2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大橢圓度，為螺紋頂徑測量結(jié)果的上限要求，超過該值將導(dǎo)致平均頂徑或者橢圓度中至少一項(xiàng)超差[3]。標(biāo)準(zhǔn)中考慮橢圓度帶來的緊密距額外變化量，并非某一規(guī)格螺紋都用同一額外增加量，而是和該根管子的自身橢圓度密切相關(guān)。工廠在加工控制時候可對管子橢圓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用能達(dá)到的最優(yōu)(最小)橢圓度計(jì)算出額外變化量，將這一規(guī)格螺紋的緊密距橢圓度增大量據(jù)此控制。如果滿足這一要求，那么實(shí)際加工出的套管螺紋緊密距考慮橢圓度影響后也將合格。

2.3 幾何尺寸

石油螺紋的幾何尺寸，通常用游標(biāo)卡尺、游標(biāo)深度尺等量具進(jìn)行測量，進(jìn)口的有德國MARH、瑞士丹青，國內(nèi)主要有哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司、成都成量工具集團(tuán)有限公司等。

圓螺紋管端至消失點(diǎn)長度L4測量的時候由于出現(xiàn)斷扣，L4的測量值應(yīng)該計(jì)算到管子上最后劃痕的地方還是計(jì)算到開始出現(xiàn)中斷的地方呢？一種觀點(diǎn)認(rèn)為斷開點(diǎn)之后的部分仍然是因?yàn)槁菁y加工才形成的劃痕，應(yīng)該計(jì)算到管子上最后劃痕的地方。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為螺紋的定義為“在圓柱或圓錐表面上，具有相同牙型、沿螺旋線連續(xù)凸起的牙體”，那么斷開之后的部分不符合定義中連續(xù)的概念，就不能計(jì)算。測量需要從螺紋定義出發(fā)，后一種觀點(diǎn)更為合理。

從管端起全頂螺紋最小長度Lc的檢驗(yàn)在通常情況下無需直接測量出全頂螺紋的長度，而是將游標(biāo)深度尺調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小長度值，再將游標(biāo)深度尺沿著軸線繞螺紋一周，確保完整螺紋長度不小于該值即可。

旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋連接的臺肩面應(yīng)垂直于螺紋軸線，其垂直度公差不超過0.05 mm。通常垂直度測量是和緊密距測量同時進(jìn)行，從互相垂直的兩個方向同時測量緊密距，將這兩個緊密距的差值作為測量的垂直度。

3 石油螺紋檢測儀器設(shè)備發(fā)展的趨勢

石油螺紋檢測儀器將朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，利用光電測量、成像分析、比對測量等多種技術(shù)手段，將部分/全部螺紋參數(shù)通過一臺儀器一次完成自動測量，測量結(jié)果不受人為操作的影響。API Spec 5B第17版中將增加對油管、套管螺紋的光學(xué)測量部分內(nèi)容。

石油管工程技術(shù)研究院綜合應(yīng)用電容傳感器測量技術(shù)、數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用分析等先進(jìn)技術(shù)成功研制了具備無線傳輸功能的數(shù)字化石油螺紋檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)石油螺紋檢測、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評價和質(zhì)量管理全過程的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

4 結(jié) 論

1)石油工業(yè)對螺紋的質(zhì)量要求較高，須通過加強(qiáng)螺紋參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)一步確保石油螺紋的質(zhì)量。API標(biāo)準(zhǔn)是國內(nèi)石油管材生產(chǎn)制造、測量檢驗(yàn)及企業(yè)認(rèn)證的主要依據(jù)。

2)旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋量規(guī)層級較多，公差設(shè)置不盡合理。油管、套管螺紋量規(guī)緊密距校準(zhǔn)需要在試驗(yàn)基礎(chǔ)上制定合理的推薦扭矩值。應(yīng)研究解決大規(guī)格量規(guī)劃傷產(chǎn)品螺紋及螺紋表面處理后緊密距無公差范圍的問題。

3)隨著石油螺紋加工水平的不斷提高，螺紋單項(xiàng)參數(shù)的公差要求應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小。石油螺紋單項(xiàng)參數(shù)的相對測量應(yīng)注意量具的正負(fù)號、測球直徑和標(biāo)準(zhǔn)量塊偏差進(jìn)行修正的問題。符合JJF 1063標(biāo)準(zhǔn)要求的單項(xiàng)參數(shù)測量儀不一定能滿足API標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4)偏梯形螺紋的L4由于螺紋類型的原因，無公差要求，無需進(jìn)行測量。圓螺紋L4應(yīng)當(dāng)從管子端面測量到螺紋開始出現(xiàn)中斷的地方。Lc無需測量出具體數(shù)值，只要滿足比最小值大即可。

5)石油螺紋檢測儀器設(shè)備將朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，測量結(jié)果將實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。