基于最佳測量條件的特殊螺紋接頭油、套管密封直徑測量方法淺析

＊王領 袁浩 楊析 姬丙寅

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1.密封直徑測量方法概述

與傳統API螺紋相比較，特殊螺紋接頭油、套管不再單獨依靠螺紋過盈配合及螺紋脂的封堵作用實現密封，普遍增加了主密封結構，其中金屬對金屬密封結構是特殊接頭開發的重大技術突破，即由光滑的金屬表面產生過盈配合而實現密封，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合載荷下螺紋接頭的氣密封問題，在世界石油工業領域得到廣泛應用。

金屬對金屬密封結構按照密封接觸面的形狀可分為錐面-錐面、球面-錐面、曲面-錐面等結構型式，其中錐面-錐面密封結構設計由于具有良好的密封性能、密封可靠性且易于加工等優點得到廣泛采用。典型的套管接頭錐面-錐面密封過盈量公差范圍設計值一般為±0.050～±0.075mm，對加工精度具有較高的要求，錐面-錐面密封結構的加工偏差對復合載荷條件下的密封面接觸長度、接觸壓力大小及分布狀態將產生不同程度的影響，進而影響螺紋接頭的密封性能和可靠性。因此，錐面-錐面密封結構的關鍵尺寸-密封直徑的測量方法的準確性對保證螺紋接頭的密封性能具有重要意義，本文通過對錐面-錐面密封結構型式密封直徑測量方法誤差來源和產生原因的分析，提出了一種基于最佳測量條件的特殊螺紋接頭密封直徑測量方案，顯著提高了密封直徑測量的準確度和可靠性。

典型的錐面-錐面密封結構的密封直徑一般采用接觸式比較測量法，即以標準密封直徑量規為測量基準，通過密封直徑測量儀做比較測量來確定螺紋接頭密封直徑的實際尺寸。本文以外螺紋密封直徑測量為例說明如下（見圖1），首先在對應的密封直徑標準量規的基面位置處（STANDOFF）將密封直徑測量儀的測量指示表調整至零位，然后用調整好的密封測量儀以外螺紋管子端面作為測量基準，測量產品螺紋對應位置處的密封直徑。錐面-錐面密封結構的外螺紋密封直徑的測量原理見圖2，密封直徑的函數關系式見公式（1）。

圖1 外螺紋密封直徑測量原理

式中：

D-螺紋接頭密封直徑測得值；

M-兩個測量觸頭的球心距離；

r-測量觸頭半徑實際值；

β-錐度密封面的實際圓錐角的1/2；

S-密封面測量基準距離實際值；

S0-密封面測量基準距離名義值。

2.密封直徑測量誤差分析

從公式（1）和圖2可以看出，密封直徑測量的核心問題是兩個測量觸頭球心距離M值的測量方法，M值一般采用比對測量法進行，但不同結構型式的密封直徑標準量規對M值的測量結果和準確度的影響具有較大的差異。下面以139.70典型規格套管為例（密封直徑為136.000mm、錐度為1/2、測量觸頭半徑為1.829mm），對測量方法的誤差進行分析。

系統誤差分析：

（1）方案A：密封直徑標準量規采用平行平面結構形式，該方案密封直徑標準量規的設計原理見圖2（a），即以測量觸頭半徑r的名義值和測量基準距離S的名義值作為測量條件設計標準量規的密封直徑DS，見公式（2）。

圖2 外螺紋密封直徑測量方案對比圖

式中：

DS-密封直徑標準量規設計值；

D0-螺紋接頭基準面密封直徑名義值；

r0-測量觸頭半徑名義值；

β0-錐度密封面的圓錐角名義值的1/2。

顯而易見，公式（1）轉化為螺紋接頭密封直徑計算公式（3）：

式中：

x1-密封直徑標準量規的偏差值；

x2-密封直徑測量儀測量密封直徑標準量規的偏差值；

x3-密封直徑測量儀測量螺紋接頭密封直徑的偏差值。

螺紋接頭密封直徑測量結果的系統誤差按公式（4）計算，相關參數的系統誤差見表1。

表1 測量方案A系統誤差一覽表

（2）方案B：密封直徑標準量規采用錐面結構型式，該方案密封直徑標準量規的設計原理見圖2（b），即以測量觸頭半徑r的名義值和測量基準距離S的名義值作為測量條件設計標準量規的密封直徑DS，見公式（5）。

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同理，公式（1）轉化為螺紋接頭密封直徑計算公式（6）：

螺紋接頭密封直徑測量結果的系統誤差按公式（7）計算，相關參數的系統誤差見表2。

表2 測量方案B系統誤差一覽表

可以看出，在同等測量條件下，方案A的測量系統誤差明顯大于方案B的測量系統誤差，說明方案A存在比較大的測量方法誤差，其主要原因是測量方案A的密封直徑標準量規的DS值唯一對應S0位置處的密封直徑值，當密封直徑測量儀基準距離S存在偏差△S時（±0.100mm），測量螺紋接頭密封直徑時測量觸頭的實際測量位置相對S0位沿軸線方向偏移△S，從而引入測量誤差2△S×tgβ，導致螺紋接頭密封直徑的測量系統誤差顯著增大。而測量方案B的密封直徑標準量規采用了錐面結構方式，即使密封直徑測量儀基準距離S存在偏差△S，但測量螺紋接頭密封直徑時測量觸頭的實際測量位置與在密封直徑標準量規上調整測量儀器零位時的位置一致，從而基本消除了△S引入的測量系統誤差。密封直徑測量儀基準距離偏差△S對兩種測量方案的測量系統誤差的影響比較見圖3（a）。

另外，隨著密封面錐度的增加，對于測量方案A，測量觸頭測球直徑偏差的引入的測量系統誤差也隨之增加；對于測量方案B，這一影響則不顯著。在不同密封面錐度情況下，測量觸頭測球直徑偏差對兩種測量方案的測量系統誤差的影響有所不同，詳見圖3（b）。

圖3 系統誤差影響比較

3.最佳測量條件的確定

上述已對兩種測量方案的系統誤差進行了分析，理論上系統誤差可用修正法來消除，但需要準確測量每個誤差項的偏差值，而且對測量儀器和量規的制造精度提出了更高的要求，將大大提高檢測成本和測量難度。因此，需要通過分析函數偶然誤差的最佳測量條件，即尋找函數誤差為最小的技術途徑。

（1）對于測量方案A，密封直徑測量值的標準誤差為：

滿足此條件必須使tgβ=0即β=0。

（2）對于測量方案B，密封直徑測量值的標準誤差為：

令(tgβ-tgβ0)2=0或為最小

滿足此條件必須使tgβ-tgβ0=0即β=β0

由以上分析可知，最佳測量條件包括兩條：β=β0及S=S0。即要使函數誤差σD最小，第一條要求密封直徑標準量規的錐度等于螺紋接頭的密封結構的錐度，這就使密封直徑測量儀基準距離偏差和測球直徑偏差引入的誤差降至最小。第二條要求S=S0，即要求密封直徑測量儀的基準距離S等于基準距離的名義值S0，考慮到該條件僅影響密封結構錐度偏差引入的誤差，且數值極小，可忽略不計。對密封直徑檢測儀器和密封直徑標準量規的制造精度合理控制即可，不需要提出過高的精度要求。因此，測量方案B的最佳測量條件為β=β0，即密封直徑標準量規的錐度等于螺紋接頭的密封結構的錐度，具有良好的實際意義和可操作性，顯著提高密封直徑的測量準確度。

4.結語

（1）錐-錐密封結構特殊螺紋接頭外螺紋密封直徑測量最佳條件：β=β0，即密封直徑標準量規的錐度等于螺紋接頭密封面錐度。

（2）如采用平行平面結構型式的密封直徑量規，則密封直徑測量儀的基準面距離（SANDOFF）和測量觸頭測球直徑對測量結果的準確度有顯著影響，應對這兩個參數的準確度進行嚴格控制，或按系統誤差對密封直徑測量進行修正。對于密封面錐度較大的結構，應謹慎使用該測量方案。

（3）采用符合最佳測量條件的測量方案，密封直徑測量儀的基準基面距離、測球直徑和密封直徑標準量規的準確度正常控制即可，不需要提出過高的制造精度要求，在保證密封直徑測量準確度的前提下，提高了測量儀器選型方案的經濟型，具有較好的工程應用價值。