＊袁浩 楊析

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引言

多年來(lái)，由于API螺紋油管因具有規(guī)范性統(tǒng)一、互換性好、成本低廉、易于操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。然而，隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)難度的增大，油氣井對(duì)油套管的連接、密封等方面提出了更高的要求，油套管服役的條件日益苛刻，API螺紋用于復(fù)雜井況時(shí)，易產(chǎn)生沖蝕污垢，影響通過(guò)率，導(dǎo)致油套管頻繁更換，另外，API螺紋的密封性能差，易泄露從而出現(xiàn)套壓現(xiàn)象。因此需設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的特殊螺紋，滿足不同作業(yè)工況的使用需求，解決海洋石油生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題。

生產(chǎn)型企業(yè)在開(kāi)發(fā)研制特殊螺紋產(chǎn)品時(shí)，需要根據(jù)試驗(yàn)情況不斷調(diào)整特殊螺紋頂徑以及密封面尺寸，以達(dá)到一個(gè)合適的螺紋過(guò)盈量以及上扣扭矩，同時(shí)保證螺紋連接以及螺紋抗粘扣性能，一般企業(yè)的做法是一套設(shè)計(jì)方案形成之后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案定制合適的特殊螺紋頂徑[1]以及密封面標(biāo)準(zhǔn)符合尺寸對(duì)比量規(guī)以供測(cè)量?jī)x器對(duì)標(biāo)尺寸，并進(jìn)行實(shí)施測(cè)量。然而，一般企業(yè)是不具備自制這種高精度的對(duì)比量規(guī)的能力，需要外購(gòu)定制，外購(gòu)定制周期長(zhǎng)，同時(shí)，參數(shù)的不斷調(diào)整，需要定制新的復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，兩項(xiàng)因素相加會(huì)對(duì)特殊螺紋產(chǎn)品的研制造成研發(fā)成本高，研發(fā)周期長(zhǎng)的現(xiàn)狀，不能夠滿足現(xiàn)代化企業(yè)迅速響應(yīng)客戶(hù)需求，縮短研發(fā)以及試生產(chǎn)周期的需求。

特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求較高，在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)密封結(jié)構(gòu)和螺紋結(jié)構(gòu)、公差配合等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，除采用有限元數(shù)值分析等理論方法，必須加工實(shí)物樣品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，為產(chǎn)品參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，這就需要提供密封直徑/螺紋中徑參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)進(jìn)行試樣的加工檢驗(yàn)。但傳統(tǒng)的固定式標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)加工周期長(zhǎng)，規(guī)格類(lèi)型較多，尤其是無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)測(cè)量參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)一旦調(diào)整就需要重新加工量規(guī)，對(duì)特殊螺紋接頭的優(yōu)化試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)進(jìn)度帶來(lái)一定程度的影響，同時(shí)也將增加產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本。

因此，本文所論述的“一種數(shù)字式[2]螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置的技術(shù)研制”是可以解決這一問(wèn)題切實(shí)有效的一種方法和裝置。本論文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于坐標(biāo)測(cè)量原理的數(shù)字式螺紋參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案，采用光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)，構(gòu)建二維坐標(biāo)系，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的引導(dǎo)下即可實(shí)時(shí)調(diào)整生成指定規(guī)格、類(lèi)型的石油管螺紋關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，尤其適用于石油管新型螺紋接頭的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、試制階段，可顯著提高新型螺紋接頭的開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量檢驗(yàn)水平。

1.數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集與細(xì)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

(1)驅(qū)動(dòng)裝置

該裝置用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，用以檢驗(yàn)不同設(shè)計(jì)尺寸加工完成工件的尺寸公差，因此采用手動(dòng)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)粗調(diào)（快速移動(dòng)）和微調(diào)以實(shí)現(xiàn)不同尺寸工件的測(cè)量。根據(jù)不同設(shè)計(jì)尺寸需求，可通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of digital special thread top diameter standard gauge device

(2)傳動(dòng)裝置

該裝置的傳動(dòng)裝置采用齒輪齒條傳動(dòng)用于尺寸粗調(diào)，采用雙螺母絲杠副的傳動(dòng)方式進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)粗調(diào)微調(diào)相結(jié)合，通過(guò)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)原理，選取合適的齒輪齒條、雙螺母絲杠結(jié)構(gòu)，以滿足不同尺寸，不同精度螺紋中徑的測(cè)量。

(3)測(cè)量裝置

該規(guī)裝置采用光柵尺作為測(cè)量裝置，光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。綜合考慮光柵尺選型、設(shè)計(jì)、安裝、捌試等因素，得到比較合理光柵尺選型，可比較好的控制檢測(cè)效果。選擇合適合理的光柵尺，利用光柵的光學(xué)原理進(jìn)行尺寸測(cè)量，具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地保證該裝置的測(cè)量精度，以更好的驗(yàn)證加工尺寸是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，用于下階段的試驗(yàn)驗(yàn)證。

(4)數(shù)據(jù)采集與細(xì)分系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

測(cè)量結(jié)束后，數(shù)據(jù)的收集和處理是整個(gè)過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。該裝置通過(guò)光柵尺測(cè)量反饋的數(shù)據(jù)，進(jìn)行收集以及處理，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸螺紋及密封面尺寸的測(cè)量。

2.整體方案設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.2 Design scheme of digital special thread top diameter standard gauge device

通過(guò)機(jī)械測(cè)量平臺(tái)以及數(shù)據(jù)采集與細(xì)分系統(tǒng)與PC機(jī)處理相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，標(biāo)塊設(shè)計(jì)為一到幾種錐度，通過(guò)PC機(jī)設(shè)置所需調(diào)校標(biāo)塊距離，并發(fā)出指令，機(jī)械測(cè)量平臺(tái)測(cè)量裝置以及驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)運(yùn)動(dòng)自動(dòng)調(diào)整標(biāo)塊之間的距離，運(yùn)動(dòng)誤差由PC機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，以保證標(biāo)塊之間距離誤差在可控的系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，從而保證該裝置的準(zhǔn)確性。

3.機(jī)械測(cè)量平臺(tái)設(shè)計(jì)

機(jī)械測(cè)量平臺(tái)采用臥式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)形式，包括儀器底座、錐度標(biāo)準(zhǔn)量塊、快速引動(dòng)工作臺(tái)和高精度微調(diào)機(jī)構(gòu)。

錐度標(biāo)準(zhǔn)塊采用對(duì)稱(chēng)錐度設(shè)計(jì)方式，分別用于構(gòu)成外螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)和內(nèi)螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，這樣就不需要根據(jù)外、內(nèi)螺紋而頻繁更換錐度標(biāo)準(zhǔn)塊，減小了安裝調(diào)整誤差，提高了測(cè)量效率。

位移機(jī)構(gòu)采用雙層機(jī)械位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，組合實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)和微調(diào)。快速移動(dòng)工作臺(tái)安裝在儀器底座上，采用齒輪齒條傳動(dòng)、手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，鎖緊裝置采用齒條、鎖緊塊的配合方式，利用鎖緊軸橢圓結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖緊；高精度微調(diào)機(jī)構(gòu)通過(guò)與齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平行的導(dǎo)向?qū)к壈惭b在快速移動(dòng)工作臺(tái)，采用雙滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并在兩導(dǎo)軌外側(cè)分別裝有兩組和調(diào)整壓緊力的軸承座組，以限制滑板垂直方向自由度；微調(diào)部分驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高精度螺旋副、手輪驅(qū)動(dòng)方式，采用微調(diào)螺桿和雙螺母的結(jié)構(gòu)，可顯著減少回程誤差，鎖緊裝置利用滑板推桿進(jìn)行鎖緊，鎖緊力直接作用于滑板推桿，減小對(duì)軸向精度的影響。

4.數(shù)據(jù)采集與細(xì)分系統(tǒng)

圖3 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置輔助設(shè)計(jì)軟件界面Fig.3 Software interface of digital special thread top diameter standard gauge

數(shù)據(jù)采集與細(xì)分系統(tǒng)采用光柵或電感式傳感器測(cè)微機(jī) 構(gòu)[3]實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，通過(guò)有線或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和補(bǔ)償，得出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。同理，也可以通過(guò)處理軟件設(shè)定所需要標(biāo)定的理論數(shù)值，由PC機(jī)發(fā)出指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械測(cè)量平臺(tái)上的標(biāo)塊距離，從而用螺紋頂徑或者密封面測(cè)量量規(guī)按照標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行調(diào)校，然后再去對(duì)所需要測(cè)量的螺紋頂徑以及密封面直徑進(jìn)行測(cè)量。

5.試驗(yàn)及結(jié)果分析

委托第三方權(quán)威計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)（陜西省計(jì)量科學(xué)研究院）對(duì)該裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試，采用高精度激光干涉儀[4]作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果表明，本裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。見(jiàn)圖4數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置的測(cè)試結(jié)果圖。

表1 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置計(jì)量測(cè)試結(jié)果

圖4 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置計(jì)量測(cè)試結(jié)果圖Fig.4 Measurement and test results of digital special thread top diameter standard gauge device

采用MATLAB軟件對(duì)測(cè)量機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行了誤差補(bǔ)償，其方法是將示值誤差曲線按實(shí)測(cè)點(diǎn)分為若干段，然后把相鄰兩點(diǎn)之間的曲線用直線近似代替，再用若干個(gè)直線做最小二乘法擬合，得到一條擬合曲線。若各個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)就在擬合曲線上，那么這個(gè)系統(tǒng)的輸出線性度就是零。所以，應(yīng)將對(duì)相對(duì)擬合曲線存在一定偏差的實(shí)際測(cè)得點(diǎn)“修正”到擬合曲線上，至少是盡力地將實(shí)際測(cè)得的點(diǎn)“修正”到擬合曲線上即可完成誤差補(bǔ)償。

6.結(jié)論

（1）該裝置已經(jīng)在企業(yè)工廠實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，該裝置的實(shí)物示意圖如圖5。

圖5 數(shù)字式特殊螺紋頂徑標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)裝置實(shí)物示意圖Fig.5 Physical diagram of digital special thread top diameter standard gauge device

（2）該裝置通過(guò)了權(quán)威計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的第三方測(cè)試，測(cè)量精度可以作為研發(fā)階段的校準(zhǔn)儀器進(jìn)行使用，但不建議作為長(zhǎng)期生產(chǎn)所用測(cè)量?jī)x器標(biāo)塊，可以作為試生產(chǎn)階段小批量產(chǎn)品測(cè)量用儀器標(biāo)塊。

（3）該裝置能準(zhǔn)確地測(cè)量出特殊螺紋產(chǎn)品在試制過(guò)程中的各項(xiàng)關(guān)鍵尺寸，為不同設(shè)計(jì)尺寸產(chǎn)品的試驗(yàn)提供可靠的保證。

（4）該裝置解決了企業(yè)內(nèi)部開(kāi)發(fā)研制特殊螺紋產(chǎn)品與試生產(chǎn)周期緊任務(wù)急與特殊螺紋頂徑以及密封面尺寸測(cè)量可變性之間的矛盾，為企業(yè)研制特殊螺紋產(chǎn)品節(jié)約了時(shí)間，并提高了研發(fā)與試生產(chǎn)階段的測(cè)量精度，為產(chǎn)品研制以及試生產(chǎn)保駕護(hù)航。