关键词:
五轴测量系统
石油管螺纹
测量策略
数据处理
测量不确定度
摘要:
石油管螺纹作为油气管柱连接的关键部位,其质量直接关系到油气钻采与运输的安全性与可靠性。实现对石油管螺纹的精确测量,将为我国油气工业的安全高效运行提供重要保障。本文基于五轴测量系统,提出了一种全自动石油管螺纹测量与评价方法,该方法仅需一次测量,即可同时获取多项螺纹关键参数的结果。论文的主要工作内容如下:
1)设计基于五轴测量系统的石油管螺纹测量策略。通过分析五轴测量系统的工作原理及测量需求,明确测量项目为:基准点处中径、锥度、螺距和牙侧角。提出了基于测量平面与扫描螺纹螺旋线的建立测量坐标系方法。制定扫描螺纹牙型线的方法以获取石油管螺纹轮廓数据。规划扫描牙型线的测量路径,将整体路径分解为单个螺距内的测量路径,计算运动控制点集的空间坐标以及相应的测头角度。
2)对测量得到的螺纹轮廓数据进行分析与处理。分析螺纹牙型几何特征,根据斜率变化提取牙侧数据,并采用最小二乘法拟合牙侧线,基于中径定义在牙侧线上提取特征点并拟合中径线。分析螺纹中径、锥度、螺距及牙侧角的特点,建立螺纹关键参数计算算法。采用自适应蒙特卡洛法评定测量不确定度,验证测量策略的可靠性。
3)开发石油管螺纹测量程序并完成实测实验。根据工程实际需要在五轴测量软件内设计相应的交互界面,并基于测量策略开发测量主程序。严格制定实验步骤,并针对四种不同规格的石油钻具螺纹校对量规完成测量实验,获取螺纹的三维轮廓数据。通过数据处理计算各螺纹参数的测量结果。
4)对实验对象的测量结果进行评价与分析。探讨牙型线数目的设定对中径测量结果的影响规律,发现随着牙型线数目的增多,测量结果愈发稳定,波动范围显著减小,综合测量成本与精度表现,建议在实际操作中选取4条牙型线。当牙型线数目设定为4条时,将五轴测量系统所得结果与校准证书进行对比,各项参数的测量精度能够满足石油管螺纹测量要求。针对各项参数进行重复性评价,各型号螺纹量规的中径的极差均不超过0.7μm,锥度的极差不超过1.4μm,螺距极差控制在0.6~1.0μm之间,牙侧角的极差最大为0.2′;各参数的标准差数值均小于1,表明此测量评价方法具有良好的重复性与系统稳定性;通过对比重复性实验的标准差与基于自适应蒙特卡洛法仿真得到的标准不确定度,验证了仿真结果符合预期。
综上所述,基于五轴测量系统的石油管螺纹测量与评价方法,为石油工业提供了一种高效、精准的螺纹测量方案,具有重要的工程应用价值与推广意义。