油井管特殊扣產(chǎn)品管擰曲線拐點識別方法

彭志牛,王鳴華

(寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201999)

在油井管特殊扣產(chǎn)品的加工過程中,擰接是一個重要工序。擰接設(shè)備的自動判定方法是否合適會對生產(chǎn)節(jié)奏和質(zhì)量控制產(chǎn)生影響。自動判定的準確性,即管擰曲線的拐點識別是否正確,直接決定于管擰曲線的合理性。油井管的實際擰接過程是一個不穩(wěn)定狀態(tài),鋼管和接箍的螺紋加工精度(如螺紋橢圓度、公母頭的同軸度)、螺紋表面狀態(tài)、螺紋脂質(zhì)量及涂抹情況、擰接控制速度等多種因素都會造成擰接曲線的較大波動。

1 拐點概念

根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定,油井管和接箍經(jīng)過擰接工序后,必須達到有效擰緊和密封。油井管中大多數(shù)的特殊扣產(chǎn)品為了滿足密封性能,都會在螺紋端部提供一個截面為圓弧或直線等形式、金屬對金屬的密封,即密封面。油井管和接箍的擰接配合典型圖如圖1所示。

圖1 油井管和接箍的擰接配合

在擰接時,當鋼管密封面和接箍密封面接觸后,擰接扭矩會突然上升,體現(xiàn)在扭矩曲線上是一個隨之上升的陡坡,可稱之為拐點。某些特殊扣產(chǎn)品為了滿足特殊工況要求,還會設(shè)計有多個密封面(拐點)。典型的特殊扣產(chǎn)品雙拐點擰接曲線如圖2所示。以時間或圈數(shù)為橫坐標,以扭矩為縱坐標,繪制擰接曲線。擰接曲線上的兩個突變點,P2(密封面拐點)為第一拐點,P3(臺肩拐點)為第二拐點。

圖2 特殊扣產(chǎn)品的雙拐點擰接扭矩曲線

2 曲線曲率半徑拐點識別方法

特殊扣螺紋擰接的主要判定依據(jù)是兩條:第一條和 API 標準螺紋相同,要判斷其最終的擰緊扭矩是否在最大最小扭矩合格范圍之內(nèi);第二條就是拐點扭矩是否在最大、最小拐點扭矩合格范圍之內(nèi)。這兩個判定準則中最關(guān)鍵的是標識出曲線上的拐點。國內(nèi)外管擰機廠家的拐點識別算法普遍采用圖像學(xué)意義上的曲率半徑法識別,即在管擰曲線后半段,逐點計算曲線曲率半徑[1],再結(jié)合過濾算法去除異常點,找出曲線彎曲變化最明顯的點,如圖3所示。

圖3 曲率半徑法

這種方法用于常規(guī)擰接曲線行之有效,對于非常規(guī)擰接曲線準確率低。因為油井管的實際擰接過程是一個不穩(wěn)定狀態(tài),鋼管和接箍的螺紋加工精度(如螺紋橢圓度、公母頭的同軸度)、螺紋表面狀態(tài)、螺紋脂質(zhì)量及涂抹情況、擰接控制速度等多種因素都會造成擰接曲線的較大波動。即使是加工質(zhì)量類似的同一批鋼管和接箍,螺紋脂涂抹差異、擰接控制差異都會對擰接曲線產(chǎn)生較大差異,尤其是擰接控制變速的時機和幅度會顯著影響拐點識別。如圖4所示,在鋼管密封面和接箍密封面已經(jīng)接觸后,由于大幅度改變擰接控制速度,產(chǎn)生了多個圖像上的“拐點”,實際上并不是擰接意義上的拐點。

圖4 多“拐點”的復(fù)雜扭矩曲線

3 密封面變形法拐點識別方法

曲率半徑法識別拐點只能從圖像學(xué)意義上找突變點,這種方法僅僅識別曲線上的突變點,假“拐點”多。擰接意義上的拐點是指鋼管和接箍的密封面相接觸后,擰接阻力上升,金屬彈性變形,所以導(dǎo)致扭矩曲線突變。從油井管產(chǎn)品特殊扣型的設(shè)計角度看,拐點出現(xiàn)后,螺紋脂受擠壓,以及密封面受到擠壓產(chǎn)生彈性變形。這個彈性變形是有限的,超過極限會導(dǎo)致屈服失效等損傷;即拐點出現(xiàn)后,針對各類扣型,鋼管和接箍的現(xiàn)對位移是有一個理論范圍。所以從擰接意義看,識別拐點的方法是既要計算擰緊扭矩差異值,也要計算密封面彈性變形量,我們稱之為密封面變形法,通過記錄兩者的變化量比值,即PW值來確定拐點,計算公式如式(1),如圖5所示。

圖5 密封面變形法

PW值=dTor/dTur

(1)

式中:dTor =當前點扭矩-擰緊扭矩;dTur =當前點圈數(shù)-擰緊圈數(shù)。

密封面變形法真實反映了螺紋脂和密封面的狀態(tài),反映了密封面受壓后的扭矩變化和彈性變形的相關(guān)性,可以有效避免曲率半徑方法的缺陷,許多特殊扣產(chǎn)品,由于金屬材質(zhì)和密封面設(shè)計的特性,導(dǎo)致密封面段扭矩曲線復(fù)雜多變,如“緩慢上升”、“波浪形”和“雙拐點”,這種方法都能有效識別。此外,拐點的PW值取值范圍和產(chǎn)品設(shè)計特性相關(guān),不是越大越好,一般通過批量生產(chǎn)后,確定一個此產(chǎn)品的判定經(jīng)驗值。采用此方法后開發(fā)的管擰自動判定軟件畫面如圖6所示。

圖6 管擰自動判定軟件畫面

4 結(jié)語

曲率半徑法是從圖像學(xué)意義上識別拐點,這種方法僅僅識別曲線上的突變點,假“拐點”多。密封面變形法是從擰接意義上識別拐點,相較于曲線半徑法,密封面變形法更科學(xué)。這種方法既考慮了擰緊扭矩差異值,也計算了密封面彈性變形量,真實反映了螺紋脂的狀態(tài),密封面受壓后的扭矩變化和彈性變形的相關(guān)性。油井管的實際擰接過程是一個不穩(wěn)定狀態(tài),鋼管和接箍的螺紋加工精度(如螺紋橢圓度、公母頭的同軸度)、螺紋表面狀態(tài)、螺紋脂質(zhì)量及涂抹情況、擰接控制速度等多種因素都會造成擰接曲線的較大波動。總之,管擰曲線是整體系統(tǒng)的呈現(xiàn),這個系統(tǒng)包括油井管產(chǎn)品、環(huán)境、輔助介質(zhì)、設(shè)備等各方面。除了提高拐點識別準確性,更關(guān)鍵的是從系統(tǒng)的角度提高管擰曲線真實性,如避免過高的擰接速度對密封面帶來沖擊、改善螺紋脂、改進密封面公差配合、提高扭矩采集頻率,確保擰接曲線更平順更精準,從而更利于自動識別出管擰曲線上的特征點,利于管擰自動判定的準確率。