＊王領(lǐng) 袁浩 楊析 姬丙寅

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1.密封直徑測(cè)量方法概述

與傳統(tǒng)API螺紋相比較，特殊螺紋接頭油、套管不再單獨(dú)依靠螺紋過(guò)盈配合及螺紋脂的封堵作用實(shí)現(xiàn)密封，普遍增加了主密封結(jié)構(gòu)，其中金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)是特殊接頭開(kāi)發(fā)的重大技術(shù)突破，即由光滑的金屬表面產(chǎn)生過(guò)盈配合而實(shí)現(xiàn)密封，從而顯著提高了螺紋接頭的密封性能，而且最重要的是解決了復(fù)合載荷下螺紋接頭的氣密封問(wèn)題，在世界石油工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)按照密封接觸面的形狀可分為錐面-錐面、球面-錐面、曲面-錐面等結(jié)構(gòu)型式，其中錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于具有良好的密封性能、密封可靠性且易于加工等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛采用。典型的套管接頭錐面-錐面密封過(guò)盈量公差范圍設(shè)計(jì)值一般為±0.050～±0.075mm，對(duì)加工精度具有較高的要求，錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的加工偏差對(duì)復(fù)合載荷條件下的密封面接觸長(zhǎng)度、接觸壓力大小及分布狀態(tài)將產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而影響螺紋接頭的密封性能和可靠性。因此，錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸-密封直徑的測(cè)量方法的準(zhǔn)確性對(duì)保證螺紋接頭的密封性能具有重要意義，本文通過(guò)對(duì)錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)型式密封直徑測(cè)量方法誤差來(lái)源和產(chǎn)生原因的分析，提出了一種基于最佳測(cè)量條件的特殊螺紋接頭密封直徑測(cè)量方案，顯著提高了密封直徑測(cè)量的準(zhǔn)確度和可靠性。

典型的錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的密封直徑一般采用接觸式比較測(cè)量法，即以標(biāo)準(zhǔn)密封直徑量規(guī)為測(cè)量基準(zhǔn)，通過(guò)密封直徑測(cè)量?jī)x做比較測(cè)量來(lái)確定螺紋接頭密封直徑的實(shí)際尺寸。本文以外螺紋密封直徑測(cè)量為例說(shuō)明如下（見(jiàn)圖1），首先在對(duì)應(yīng)的密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的基面位置處（STANDOFF）將密封直徑測(cè)量?jī)x的測(cè)量指示表調(diào)整至零位，然后用調(diào)整好的密封測(cè)量?jī)x以外螺紋管子端面作為測(cè)量基準(zhǔn)，測(cè)量產(chǎn)品螺紋對(duì)應(yīng)位置處的密封直徑。錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的外螺紋密封直徑的測(cè)量原理見(jiàn)圖2，密封直徑的函數(shù)關(guān)系式見(jiàn)公式（1）。

圖1 外螺紋密封直徑測(cè)量原理

式中：

D-螺紋接頭密封直徑測(cè)得值；

M-兩個(gè)測(cè)量觸頭的球心距離；

r-測(cè)量觸頭半徑實(shí)際值；

β-錐度密封面的實(shí)際圓錐角的1/2；

S-密封面測(cè)量基準(zhǔn)距離實(shí)際值；

S0-密封面測(cè)量基準(zhǔn)距離名義值。

2.密封直徑測(cè)量誤差分析

從公式（1）和圖2可以看出，密封直徑測(cè)量的核心問(wèn)題是兩個(gè)測(cè)量觸頭球心距離M值的測(cè)量方法，M值一般采用比對(duì)測(cè)量法進(jìn)行，但不同結(jié)構(gòu)型式的密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)對(duì)M值的測(cè)量結(jié)果和準(zhǔn)確度的影響具有較大的差異。下面以139.70典型規(guī)格套管為例（密封直徑為136.000mm、錐度為1/2、測(cè)量觸頭半徑為1.829mm），對(duì)測(cè)量方法的誤差進(jìn)行分析。

系統(tǒng)誤差分析：

（1）方案A：密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)采用平行平面結(jié)構(gòu)形式，該方案密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2（a），即以測(cè)量觸頭半徑r的名義值和測(cè)量基準(zhǔn)距離S的名義值作為測(cè)量條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的密封直徑DS，見(jiàn)公式（2）。

圖2 外螺紋密封直徑測(cè)量方案對(duì)比圖

式中：

DS-密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)設(shè)計(jì)值；

D0-螺紋接頭基準(zhǔn)面密封直徑名義值；

r0-測(cè)量觸頭半徑名義值；

β0-錐度密封面的圓錐角名義值的1/2。

顯而易見(jiàn)，公式（1）轉(zhuǎn)化為螺紋接頭密封直徑計(jì)算公式（3）：

式中：

x1-密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的偏差值；

x2-密封直徑測(cè)量?jī)x測(cè)量密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的偏差值；

x3-密封直徑測(cè)量?jī)x測(cè)量螺紋接頭密封直徑的偏差值。

螺紋接頭密封直徑測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)誤差按公式（4）計(jì)算，相關(guān)參數(shù)的系統(tǒng)誤差見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量方案A系統(tǒng)誤差一覽表

（2）方案B：密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)采用錐面結(jié)構(gòu)型式，該方案密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2（b），即以測(cè)量觸頭半徑r的名義值和測(cè)量基準(zhǔn)距離S的名義值作為測(cè)量條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的密封直徑DS，見(jiàn)公式（5）。

某一秒鐘，一顆樟果從頭頂某一處很準(zhǔn)確地砸中了我，在我的脖頸間留下了一記癢癢后的顫栗，在我還沒(méi)有從顫栗中回過(guò)神來(lái)的時(shí)候，又一顆炮彈從我的前額砸了下來(lái)。我低下頭，看見(jiàn)樹(shù)下卵石的縫隙里早有了更多的積累，挑了一些捧在手里，熟悉的香氣在我的鼻端濃烈了起來(lái)。

同理，公式（1）轉(zhuǎn)化為螺紋接頭密封直徑計(jì)算公式（6）：

螺紋接頭密封直徑測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)誤差按公式（7）計(jì)算，相關(guān)參數(shù)的系統(tǒng)誤差見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量方案B系統(tǒng)誤差一覽表

可以看出，在同等測(cè)量條件下，方案A的測(cè)量系統(tǒng)誤差明顯大于方案B的測(cè)量系統(tǒng)誤差，說(shuō)明方案A存在比較大的測(cè)量方法誤差，其主要原因是測(cè)量方案A的密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的DS值唯一對(duì)應(yīng)S0位置處的密封直徑值，當(dāng)密封直徑測(cè)量?jī)x基準(zhǔn)距離S存在偏差△S時(shí)（±0.100mm），測(cè)量螺紋接頭密封直徑時(shí)測(cè)量觸頭的實(shí)際測(cè)量位置相對(duì)S0位沿軸線方向偏移△S，從而引入測(cè)量誤差2△S×tgβ，導(dǎo)致螺紋接頭密封直徑的測(cè)量系統(tǒng)誤差顯著增大。而測(cè)量方案B的密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)采用了錐面結(jié)構(gòu)方式，即使密封直徑測(cè)量?jī)x基準(zhǔn)距離S存在偏差△S，但測(cè)量螺紋接頭密封直徑時(shí)測(cè)量觸頭的實(shí)際測(cè)量位置與在密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)上調(diào)整測(cè)量?jī)x器零位時(shí)的位置一致，從而基本消除了△S引入的測(cè)量系統(tǒng)誤差。密封直徑測(cè)量?jī)x基準(zhǔn)距離偏差△S對(duì)兩種測(cè)量方案的測(cè)量系統(tǒng)誤差的影響比較見(jiàn)圖3（a）。

另外，隨著密封面錐度的增加，對(duì)于測(cè)量方案A，測(cè)量觸頭測(cè)球直徑偏差的引入的測(cè)量系統(tǒng)誤差也隨之增加；對(duì)于測(cè)量方案B，這一影響則不顯著。在不同密封面錐度情況下，測(cè)量觸頭測(cè)球直徑偏差對(duì)兩種測(cè)量方案的測(cè)量系統(tǒng)誤差的影響有所不同，詳見(jiàn)圖3（b）。

圖3 系統(tǒng)誤差影響比較

3.最佳測(cè)量條件的確定

上述已對(duì)兩種測(cè)量方案的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了分析，理論上系統(tǒng)誤差可用修正法來(lái)消除，但需要準(zhǔn)確測(cè)量每個(gè)誤差項(xiàng)的偏差值，而且對(duì)測(cè)量?jī)x器和量規(guī)的制造精度提出了更高的要求，將大大提高檢測(cè)成本和測(cè)量難度。因此，需要通過(guò)分析函數(shù)偶然誤差的最佳測(cè)量條件，即尋找函數(shù)誤差為最小的技術(shù)途徑。

（1）對(duì)于測(cè)量方案A，密封直徑測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為：

滿足此條件必須使tgβ=0即β=0。

（2）對(duì)于測(cè)量方案B，密封直徑測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為：

令(tgβ-tgβ0)2=0或?yàn)樽钚?/p>

滿足此條件必須使tgβ-tgβ0=0即β=β0

由以上分析可知，最佳測(cè)量條件包括兩條：β=β0及S=S0。即要使函數(shù)誤差σD最小，第一條要求密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的錐度等于螺紋接頭的密封結(jié)構(gòu)的錐度，這就使密封直徑測(cè)量?jī)x基準(zhǔn)距離偏差和測(cè)球直徑偏差引入的誤差降至最小。第二條要求S=S0，即要求密封直徑測(cè)量?jī)x的基準(zhǔn)距離S等于基準(zhǔn)距離的名義值S0，考慮到該條件僅影響密封結(jié)構(gòu)錐度偏差引入的誤差，且數(shù)值極小，可忽略不計(jì)。對(duì)密封直徑檢測(cè)儀器和密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的制造精度合理控制即可，不需要提出過(guò)高的精度要求。因此，測(cè)量方案B的最佳測(cè)量條件為β=β0，即密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的錐度等于螺紋接頭的密封結(jié)構(gòu)的錐度，具有良好的實(shí)際意義和可操作性，顯著提高密封直徑的測(cè)量準(zhǔn)確度。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）錐-錐密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋接頭外螺紋密封直徑測(cè)量最佳條件：β=β0，即密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的錐度等于螺紋接頭密封面錐度。

（2）如采用平行平面結(jié)構(gòu)型式的密封直徑量規(guī)，則密封直徑測(cè)量?jī)x的基準(zhǔn)面距離（SANDOFF）和測(cè)量觸頭測(cè)球直徑對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度有顯著影響，應(yīng)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行嚴(yán)格控制，或按系統(tǒng)誤差對(duì)密封直徑測(cè)量進(jìn)行修正。對(duì)于密封面錐度較大的結(jié)構(gòu)，應(yīng)謹(jǐn)慎使用該測(cè)量方案。

（3）采用符合最佳測(cè)量條件的測(cè)量方案，密封直徑測(cè)量?jī)x的基準(zhǔn)基面距離、測(cè)球直徑和密封直徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)的準(zhǔn)確度正?？刂萍纯?，不需要提出過(guò)高的制造精度要求，在保證密封直徑測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下，提高了測(cè)量?jī)x器選型方案的經(jīng)濟(jì)型，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。