石油螺紋的測量和檢驗

艾裕豐，馮 娜，馬春莉，白小亮，李光峰，郭 濤，張 娟

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

0 引 言

石油工業用油井管由專用螺紋連接成數百米至數千米，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構完整性和密封完整性，不能在外力作用下使結構受到破壞，還要保證在各種不同受力狀態下承受內外壓差的長期作用而不泄漏。螺紋的質量對油氣井的質量和壽命有著重要影響，必須通過加強螺紋參數(主要有綜合參數緊密距、螺紋單項參數、螺紋幾何尺寸)的測量和檢驗使油井管螺紋的質量符合要求。

1 石油螺紋測量和檢驗標準

API(美國石油學會)標準是目前國內石油管材生產制造、測量檢驗及企業認證的主要依據。中國石油工業螺紋測量檢驗的國家標準和行業標準也基本是等同或修改采用API的相應標準。主要的石油螺紋的測量和檢驗標準見表1。表1中標準1是螺紋缺欠與缺陷術語的依據；標準2～4是油管、套管螺紋測量和檢驗的依據；標準5、標準6是旋轉臺肩式螺紋測量和檢驗的依據；標準7～9是石油專用螺紋檢驗和測量用量具的校準規范。雖然標準2、標準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、參數的名義值和公差要求。石油螺紋在進行參數檢驗之前，需要先用目視的方式對螺紋區域、常規倒角區域、管端、內螺紋端面及鏜孔進行螺紋外觀檢驗，以發現螺紋表面明顯的制造缺陷或機械損傷。標準3、標準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標準

2 主要螺紋參數的測量和檢驗

2.1 螺紋緊密距

緊密距是在規定的安裝力矩或者其他條件下，圓錐螺紋工件或量規上規定參考點/面間的軸向距離。緊密距使用螺紋量規進行測量，將螺紋量規視為具有基本牙型的一個假想螺紋，實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、螺距等多項參數的影響。石油螺紋量規制造企業國外主要有美國的PMC、日本KURODA和美國GSG等。國內主要有寶雞石油機械有限責任公司、陜西航空宏峰精密機械工具有限責任公司、成都量具刃具集團有限公司、寶雞市斯瑞特量具有限責任公司等。目前，全國在役石油螺紋工作量規約20 000套，各技術機構每年校準總和約18 000套，校對量規市場保有量約1 000套，全部由國家計量科學研究院和石油工業專用螺紋量規計量站校準。

在對石油螺紋量規緊密距進行校準時，旋合力對緊密距影響較大。旋轉臺肩式螺紋量規校準時，API Spec 7-2要求選用一定規格的扭矩錘、加力桿，扭矩錘自由落體錘擊12次進行扭矩控制。油管、套管螺紋量規校準時，API Spec 5B按照正常人的臂力進行旋合控制。JJF 1108中給出了工作量規旋緊扭矩推薦值。經過對比分析(體重70 kg，身高175 cm，35歲青年男子進行試驗)，使用扭矩扳手后，緊密距測量值小于手緊緊密距測量值。一般圓螺紋量規緊密距值減小約0.2 mm，偏梯形螺紋量規緊密距值減小約0.1 mm。油管、套管螺紋量規校準時按照一定扭矩進行控制可以顯著提高緊密距校準結果的重復性、穩定性。但是現在JJF 1108中推薦的最大規格量規的扭矩值為最小規格量規扭矩值的10倍，該數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基礎上制定科學合理的推薦扭矩值。

API Spec 7-2旋轉臺肩式螺紋量規有原始量規、地區量規、校對量規、工作量規之分，量規層級較多，量值溯源鏈較長。各級量規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，公差設置不盡合理，不符合上一級標準器MPE一般為下一級計量器具1/3的要求。同一套工作量規，由于校對量規的差異，互換緊密距可能相差較大，不利于確保測量結果的準確性。部分校準機構在校準工作量規緊密距時對校準結果依據校對量規的偏離情況對校準結果進行修正。修正后有利于量值統一，但修正過程會增加工作量，降低校準效率，且進行修正在相關標準中并無依據。API Spec 7-2規定了旋轉臺肩式螺紋地區量規、校對量規、工作量規自配緊密距周期校準的磨損要求。API Spec 5B僅規定了校對校對量規自配緊密距磨損極限，對工作規未進行要求。JJF 1108參考校對規磨損極限對工作規進行要求。油、套管生產企業完全可以自主制定工作規磨損極限和報廢時間，盡可能延長工作規的使用壽命。

螺紋量規硬度太低不耐磨損，硬度太高容易劃傷待測量產品。API Spec 5B要求螺紋量規硬度為HRC60～HRC63，API Spec 7-2要求螺紋量規硬度≥HRC55，石油管材的硬度一般不大于HRC37，可見量規硬度均遠大于石油管材的硬度。在抗硫管材及9in以上大規格套管螺紋接頭緊密距檢驗時，螺紋量規劃傷產品的現象時有發生。旋合之前，在螺紋上淋稀釋后的螺紋脂能起到潤滑作用，降低對產品的劃傷。同一規格的長圓螺紋、短圓螺紋套管緊密距檢驗都使用短圓螺紋量規，套管管端凸出環規小端面的名義長度可以使用L4產品-L4量規-P1進行計算[2]，若計算結果為負值，表示套管管端凹入環規小端面。利用S-S1計算鉆具內螺紋緊密距合格范圍時，S值是使用校對量規的自配緊密距實際值還是緊密距名義值15.875 mm在標準中未進行明確規定，目前國內大多數生產企業使用的是自配緊密距實際值，建議標準對此指標進行明確規定。

標準規定的所有緊密距公差都僅在未進表面處理、冷加工、機緊前適用，這將導致成品交貨給用戶后，用戶對該項目進行檢驗后無法進行判定。SY/T 5987—1994《鉆桿國外訂貨技術條件》(現已廢止)給出了鍍銅后的緊密距合格范圍，并規定螺紋表面磷化處理后的緊密距要求由用戶與制造廠協商確定。為解決這一難題，建議各制造企業、技術機構、用戶開展相關研究，找出變化的規律，給出參考數據并制定相應標準。

2.2 螺紋單項參數

石油螺紋單項參數，主要包括牙型高、牙頂高、螺距、錐度、螺紋頂徑、螺紋橢圓度等，用石油螺紋單項參數測量儀器進行測量。單項參數測量儀的生產企業國外主要有美國ALLEN、GAGEMAKER公司，國內主要有西安泰銳精密機械科技有限公司、漢中萬目儀電有限責任公司。

石油螺紋單項參數測量儀的計量特性要求見表2和表3。計量器具的校準依據JJF 1063中單項參數測量儀器示值誤差最大差的要求為0.020/0.2 mm。實際是因為多數情況下校準間隔為0.2 mm，只計算了相鄰校準點之間的示值誤差變化量，而未計算全校準行程的示值誤差最大差。API Spec 7-2是按照單項儀的種類對每一種單項儀規定了全量程的示值誤差要求。API Spec 5B是按照單項儀的量程規定了其示值誤差的要求，見表3。從表3可見，按照JJF進行校準并符合JJF要求的單項儀不一定能滿足API標準的要求。內螺紋錐度測量儀有接桿式和槍式兩種，其傳動結構不同，接桿式內螺紋錐度測量儀的精度相對容易保證，槍式內螺紋錐度測量儀的精度不容易控制在0.025 mm以內。JB/T 10346—2017對槍式內螺紋錐度測量儀給出的精度要求是0.045 mm，這一要求結合了量具生產實際情況，但不符合API標準對量具的要求，不能滿足鉆具螺紋產品公差控制的要求。量具制造企業應開展研究，進一步提高槍式內螺紋錐度測量儀的精度水平。

表2 不同標準對單項參數測量儀計量性能要求

表3 API Spec 5B對單項參數測量儀計量性能要求

現行API 標準中的螺紋單項參數公差在30～40 年前就已制定，石油螺紋加工水平不斷提高，但標準要求幾乎未發生變化，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。目前部分用戶結合制造企業實際控制水平，制定了自己的采購技術要求，不同標準及企業的圓螺紋套管參數控制要求見表4。為減少失效事故的發生，建議結合企業加工水平，嚴格控制產品質量，適當減小螺紋單項參數的公差范圍。

表4 圓螺紋套管螺紋單項參數控制要求

螺距、牙型高度、頂徑、牙型厚度等需要使用標準塊對零后進行測量的參數，都是屬于相對測量，即對偏差值進行測量，偏差值的正負號判斷就顯得尤為重要，必須掌握正確的確定原則。結合活動測球/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動方向(順時針或逆時針)的變化可進行準確判斷。外螺紋錐度測量時，活動測桿受到壓縮，指針順時針轉動會出現轉折點，內螺紋錐度測量時，活動測桿自然釋放，指針逆時針轉動會出現轉折點。在相對測量的項目標準塊校準后的量具確認結論可以有符合標準要求、考慮不確定度后符合標準要求、考慮不確定度后仍然不符合標準要求三種情況?？紤]不確定度后仍然不符合標準要求的標準塊如果要使用一定要按照校準結果進行實際修正。如果測量者按照校準值在對零時直接考慮標準塊偏差，那么對測量結果就不會有影響。當然也可以在對零的時候不予考慮偏差值，直接對測量結果進行修正，但是一定要注意修正值和偏差值的關系。

對油管、套管中的圓螺紋和旋轉臺肩式螺紋，錐度、螺距測量要求接觸螺紋牙側而不接觸牙底，牙型高度的測量要求接觸真實的牙底。螺距和錐度的測球直徑可用最佳測球的直徑公式進行計算，結果和測量牙頂高標準塊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據修約和有效位數不足的原因，導致數據有誤。優先選用旋轉臺肩螺紋的牙型高度測量觸頭均為球形，如果實際測球直徑比標準要求值小，可以接觸真實牙底，不會影響測量結果。如果測球直徑比標準要求值大，會導致測量時接觸不到真實的牙底，使測量結果偏小，發生較大誤差。標準中測球直徑公差均為±0.05 mm。但是圓螺紋牙頂高參數公差為±0.038 mm，對零時要求牙頂高標準塊U型槽和V型槽對零時讀數變化不超過±0.013 mm，圓螺紋牙頂高測球直徑公差按照±0.05 mm控制滿足不了產品質量控制的要求。

螺紋平均頂徑和螺紋橢圓度是為了嚴格控制油套管產品的質量，API Spec 5B新增加的檢驗項目。標準規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)，因為圓螺紋Lc不允許存在黑頂螺紋，偏梯形螺紋Lc內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。頂徑測量儀在標準塊/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轉折點的指針轉動方向不同。為了求得真實的螺紋橢圓度，需要得到一圓周的頂徑數據，這將大大降低測量效率。如果將螺紋設定為一個標準的橢圓，則可以通過數組頂徑測量數據，用數學的方法回歸出這個橢圓，然后在計算出的長軸和短軸方向進行驗證性測量，可以提高測量效率。標準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、橢圓度之間的數學關系，可推導出標準規定的平均頂徑上限+1/2標準規定的最大橢圓度，為螺紋頂徑測量結果的上限要求，超過該值將導致平均頂徑或者橢圓度中至少一項超差[3]。標準中考慮橢圓度帶來的緊密距額外變化量，并非某一規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。工廠在加工控制時候可對管子橢圓度進行統計分析。利用能達到的最優(最小)橢圓度計算出額外變化量，將這一規格螺紋的緊密距橢圓度增大量據此控制。如果滿足這一要求，那么實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，通常用游標卡尺、游標深度尺等量具進行測量，進口的有德國MARH、瑞士丹青，國內主要有哈爾濱量具刃具集團有限公司、成都成量工具集團有限公司等。

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

從管端起全頂螺紋最小長度Lc的檢驗在通常情況下無需直接測量出全頂螺紋的長度，而是將游標深度尺調節到標準要求的最小長度值，再將游標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。

旋轉臺肩式螺紋連接的臺肩面應垂直于螺紋軸線，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備發展的趨勢

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

石油管工程技術研究院綜合應用電容傳感器測量技術、數據無線傳輸技術、物聯網技術、質量數據統計與應用分析等先進技術成功研制了具備無線傳輸功能的數字化石油螺紋檢測系統，可實現石油螺紋檢測、數據處理、結果評價和質量管理全過程的數字化、智能化和網絡化。

4 結 論

1)石油工業對螺紋的質量要求較高，須通過加強螺紋參數檢驗進一步確保石油螺紋的質量。API標準是國內石油管材生產制造、測量檢驗及企業認證的主要依據。

2)旋轉臺肩式螺紋量規層級較多，公差設置不盡合理。油管、套管螺紋量規緊密距校準需要在試驗基礎上制定合理的推薦扭矩值。應研究解決大規格量規劃傷產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，螺紋單項參數的公差要求應當適當減小。石油螺紋單項參數的相對測量應注意量具的正負號、測球直徑和標準量塊偏差進行修正的問題。符合JJF 1063標準要求的單項參數測量儀不一定能滿足API標準的要求。

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

5)石油螺紋檢測儀器設備將朝著自動化、智能化的方向發展，測量結果將實現數字化、智能化和網絡化。