抽油桿直線度的測量及生產控制

孟凡旺

(卡麥龍(上海)機械有限公司，上海 200070)

0 引言

從20 世紀70 年代開始，我國主要油田的采油方法大部分由自噴采油轉為機械采油，同時在抽油桿的行業標準、用材、生產設備、生產工藝、質量控制、新產品開發、疲勞斷裂機理研究、舊抽油桿檢測與修復和失效分析等方面開展了廣泛研究[1],現已成為世界上抽油桿第一生產大國。新抽油桿和修復抽油桿的直線度直接關系到產品質量和使用性能，直線度作為抽油桿加工制造過程中極其重要的質量控制參數，也越來越受到各大公司的重視。

但是對于直線度的自動精確測量，行業內一直沒有較好的測量手段。賀俊吉等[2]提出在光條截面上進行條紋中心的亞像素位置獲取；胡斌等[3]提出了基于方向模板的結構光條紋中心檢測方法；朱里等[4]提出了一種基于陣列攝像的機器視覺在線測量方法與系統。然而以上方法或是精度不高，易受噪聲影響，或是設備投入大，不易在線實現。

本文結合實際生產，針對國外客戶對于抽油桿在直線度方面的具體要求，對比了國內外對于抽油桿生產中直線度測量的異同。同時結合工廠實際，自行設計了大平臺抽油桿直線度測量工裝及設備。為滿足更高標準的直線度要求，對原有抽油桿生產工藝的部分環節進行了優化和改善。

1 國內外抽油桿直線度測量方法及其注意事項

抽油桿如圖1所示。如果抽油桿彎曲，就會使得工作過程中彎曲的內側應力增大，造成抽油桿短期失效。美國石油協會抽油桿標準API 11B附錄A.6章節中，分別針對抽油桿桿體和桿頭介紹了各自的直線度測量方法。

圖1 抽油桿

1.1 桿體直線度的測量

抽油桿和短桿彎曲可用下列兩種方法之一進行測量。

(1) 方法A：在桿表面距離支點152.4 mm(標距)的地方測量全跳動，跳動值是標距全長范圍內間隙的2倍。

(2) 方法B：用長為304.8 mm的直尺靠在彎曲處的凹邊，采用塞尺測量直尺和凹面之間的間隙值。

對于桿體直徑為16 mm～29 mm所有尺寸的抽油桿，測量最大許可彎曲值采用304.8 mm的標距，使用B方法測量的最大許可間隙為1.65 mm；若用A方法測量，全跳動最大許可值為3.3 mm。

1.2 桿端部直線度的測量

將抽油桿的桿體支撐在離桿外螺紋接頭臺肩152.4 mm處測量端部直線度，桿體的其他部分放置在位于同一平面上間距不大于1.83 m的若干同心支架上；借助千分表、激光或其他類似測量設備，測量臺肩外徑處的彎曲值。對于直徑尺寸為16 mm～29 mm所有尺寸的抽油桿，端部直線度的最大允許全跳動值為3.3 mm。

對于端部直線度，無論國外還是國內的生產企業，大部分采用千分表等儀表進行測量。通常的做法是手工旋轉桿體360°，記錄與臺肩外徑接觸的儀表讀數值，其測量過程如圖2所示。

圖2 桿端部直線度測量

1.3 注意事項

對于桿端部直線度的測量，因為標準規范中只限定了一種方法，所以國內與國外測量方法都是一樣的，不存在產品檢測及接收準則的不同。

但是對于桿體直線度的測量，國內與國外企業卻存在很大的不同。國內企業更傾向于采用1.1節中的方法B來測量，這種方法操作簡單，對測量設備及儀器的要求不高。只需要使用標距為304.8 mm直尺靠在桿體彎曲處，用塞尺測量直尺和桿體凹面之間的間隙值即可。但國外工廠或是第三方的檢驗公司卻采用1.1節中的方法A來測量。方法A需要制作特殊的支架以滿足規范中的測量要求。顯而易見，方法A比方法B更具準確性，其要求更嚴格。實際生產中我們也發現，用方法B檢驗合格的抽油桿，在特殊支架上采用方法A再去檢驗時，原本合格的產品有可能變得不合格。仔細思考不難發現，方法B只是限定了304.8 mm的直尺標距，因此數據更多的限定在一個較小的桿體范圍內；而方法A需要在特殊的支架上旋轉一周后測量整個旋轉過程中的跳動值，雖然是在桿表面距離支點152.4 mm的地方測量全跳動，但這種全跳動更易受整個長度范圍內桿體的影響。

在實際的桿體直線度檢驗過程中，根據規范《API 11BR抽油桿的維護和搬運》的建議操作，桿體的直線度檢驗首先采用支架滾動的驗證方法。即將抽油桿放置于相鄰間距不大于1.83 m的同心支架(如圖3所示)上，緩慢滾動抽油桿并從端部觀察其整體的擺動情況，根據目視檢驗來確定桿體整體的直線度是否滿足要求。

在上述檢驗過程中，對于目視檢驗中擺動明顯的抽油桿，可以不做進一步的檢驗直接拒收；對于擺動不是很明顯但有疑問的抽油桿，則可以通過進一步使用千分表來測量其全跳動值來確定其直線度是否符合要求。

我們廠在為國外客戶生產抽油桿時，檢驗按照1.1節中的方法B操作，并且沒有根據規范《API 11BR抽油桿的維護和搬運》的建議操作來進行產品的滾動檢驗，結果導致第一批出廠的近萬根抽油桿直線度未能通過美國第三方檢驗公司的檢驗，造成了很大的經濟損失和返修費用。

圖3 滾動體直線度測量支架

2 抽油桿直線度的生產控制

為了與國外客戶采用一致的檢驗方法，同時切實解決原生產工藝中抽油桿的直線度問題，我廠在生產并進行抽油桿的終檢時，直線度均按方法A來測量桿體的全跳動數值。同時對抽油桿整個的生產工藝進行了部分優化，優化后完整的生產工藝過程如圖4所示。

圖4 抽油桿生產工藝過程

2.1 原材料采購

為保證原材料本身具有較好的直線度，在與供應商簽訂供貨協議時，我們對原材料棒材的直線度做了如下規定：要求1 000 mm長直尺內棒材凹面間隙不大于1.0 mm。在收到供應商的原材料后，我廠檢驗人員會隨機抽取并將棒材擺放在間距不大于1.83 m的若干支架上進行滾動檢驗，觀察其擺動情況。對于直線度有疑問的棒材，檢驗人員會進一步使用加長標距為1 000 mm的長直尺按1.1節中的方法B進行檢驗。符合要求的原材料完成入庫，不符合要求的則做退貨處理并返回給供應商。

2.2 冷校直

該校直工序旨在進行鍛造前進一步改善原材料的直線度，校直在雙輥校直機上進行，該校直機上下輥只能微調間距，不能大幅度上下移動，此時原材料截面為等圓形。

2.3 鍛造

我公司抽油桿的鍛造采用人工半自動化鍛造方法，其棒材支撐輥設計為支撐位置可上下調節式。按以往操作模式，鍛造工只是將支撐輥調節成肉眼認為在同一水平的高度，缺乏具體的衡量體系。我們將此工序做了改進，增加了一臺三維激光測量儀，使用激光儀發射出的激光來調節支撐輥高度，確保棒材的水平中心線與模具的分型面在同一高度位置處，這樣從根本上杜絕了因為鍛造不同心導致的抽油桿直線度問題。

2.4 組批之后的冷校直

此工序的校直是針對鍛造完成之后產品的校直，此時產品端部截面積比桿體大，截面比值達到4.5～5，已經不能采用2.2節中的校直機進行校直。根據實際情況，我們設計了上可抬升校直輥式的校直機。這種校直機的上輥連接提升裝置，可以通過人工操作實現上輥的提升和下降，很好地解決了非等截面抽油桿產品的校直，對于保證產品具有合格的直線度作用重大。

2.5 熱處理及熱校直

我廠的抽油桿大部分為正火加回火熱處理，抽油桿經過高溫熱處理后，由于本身應力的釋放和加熱影響，熱變形是必然存在的。同時根據客戶產品圖紙要求，凡是熱處理后再經冷校直的產品，必須再次回火以便去除產品因冷校直產生的殘余應力。考慮到這樣的要求，在熱處理工序后增加了如2.4節中同種類型的校直機。抽油桿回火溫度區間為610 ℃～690 ℃，經回火出爐后仍保持有大約500 ℃的高溫，此時進行熱狀態下的校直，效果與去應力回火相同。

2.6 抽油桿大平臺終檢

抽油桿經螺紋機加工后，在淋漆之前要進行最后一個環節的終檢，以確保此時的直線度完全滿足要求。

終檢采用支架和大平臺全跳動檢驗相結合的方式，支架檢驗操作方法與1.3節中相同。大平臺檢驗則是為實現A方法而專門設計的檢驗工裝，如圖5所示。沿抽油桿放置的直線方向設置若干間距為304.8 mm的支撐點，通過使用激光調節確保各個支撐點都位于同一水平線上。在距離這些支撐點的相同距離處，設置一導軌可放置移動平臺，千分表固定在移動平臺上，可通過在導軌上移動來測量抽油桿不同位置處的全跳動數值。

圖5 大平臺直線度檢驗

測量時桿體放置在相鄰間隔為304.8 mm的若干支點上，千分表放置在任意相鄰的兩支撐點距離的中間處，緩慢均勻旋轉整個桿體，同時注意觀察千分表的讀數，其示數的最大值即是桿體對應位置處的跳動值。抽油桿端部外螺紋臺肩處的全跳動也可在該大平臺上進行測量。

2.7 其他環節的直線度控制

除以上各工序的直線度控制外，在抽油桿的吊裝和運輸過程中，也應特別注意由于操作不當而引起的直線度變壞的情況。例如我們使用專門的吊鉤來進行吊裝，以保證抽油桿不同位置的受力均勻；貨物裝運時邊角部用角鋼固定防止受到外力影響，導致局部受力太過集中而引起直線度的變壞等。

3 結論

針對抽油桿直線度的檢測及生產控制問題，結合實際情況采取了以下改善措施確保直線度符合要求：

(1) 對原材料棒材增加了1 000 mm長直尺測量棒材凹面間隙的措施，間隙值要求不大于1.0 mm。

(2) 鍛造過程中使用三維激光儀調節支撐輥和模具分型面高度，使其處在同一高度位置。

(3) 增加了組批工序之后的冷校直工序，該工序校直機校直輥為提升式，可以再次矯正鍛造過程中可能產生的彎曲問題。

(4) 熱處理工序后的熱校直工序，可以有效改善熱處理高溫過程中抽油桿產生的變形，同時盡量避免了冷校直后需再次去應力回火的問題。

(5) 根據檢驗規范設計了支架和大平臺的檢驗工裝，極大地提高了檢驗效率。

通過以上各種措施，抽油桿最終達到了桿體直線度全跳動≤1.40 mm，端部直線度全跳動≤1.66 mm，二者都遠小于標準要求的3.30 mm。