石油管齿形标准样板测量方法及测量不确定度评定.docx

88工具技术石油管齿形标准样板测量方法及测量不确定度评定白小亮，卫尊义，冯娜，艾裕丰，付或，李光峰中国石油集团石油管工程技术研究院摘要：本文针对api rp 5812010套管、油管和管线管螺纹测量和检验方法和api rp 7g-2-2009口钻柱构 件检验和分级推荐做法等api标准中所述的齿形标准样板，就实现其在校准实验室准确测量保证其溯源性开展 测量方法研究。根据量具的计量特性提出螺距和牙型角两个测量参数，应用光学三坐标测量机编程实现自动测 量，经大量试验验证及相应测量不确定度评定。结果表明，基于光学三坐标测量机的齿形标准样板测量方法，可完 全满足齿形标准样板的溯源要求，并提出增加齿形标准样板校准内容的校准规范修订建议。关键词：齿形标准样板；定位；重复性；测量不确定度 中图分类号：tg806文献标志码：ameasurement method of thread profile gauge in oil tubular goods and its uncertainty in measurementbai xiaoliang，wei zunyi，feng na，aiyufeng，fu yu，li guangfengabstract：this paper studies the gauge described in api rp 581-2010“gauging and inspection of casing，tubling， and line pipe threadsand api rp 7g-2-2009recommended practice for inspection and classfication of used drill stem elements”respectively，proposes two measurement parameters lead and tooth type angle according to the metrological char- acteristics of the gauge，and programs auto measurement methods throuh optical coordinate measuring machine，finally car- ties out measurements of its traceability after testing many experimental verification and evaluation of measurement uncer- taintythe results show that the method can fully meet the traceability requirements of the gaugeit also suggests that the content of the calibration for thread profile gauge should be increased in the calibration specificationskeywords：thread profile gauge；locate；repeatability；measurement uncertainty纹形状的测量是通过齿形标准样板(俗称梳齿规，1引言以下简称样板)在完整螺纹段来进行的，通过判断在符合api spec 5b及api spec 7-2的石油螺纹牙侧面与样板是含存在连续可见的缝隙来判定 管锥螺纹参数检验过程中，螺纹形状的测量在相应产品是否符合相应api规范。的api rp 58111及api rp 7g21中均是推荐检测项无论是符合api spec 5b或api spec 7-2产目。以api rp 7g推荐测量方法为例，石油管锥螺品螺纹均推荐使用相应的样板沿外螺纹或内螺纹旋转的方向在所有完整螺纹上进行检测，以保证产品 符合相应规范要求。收稿日期：2014年7月(3)该预测模型为降低工件表面粗糙度提供参考依turing automation，university of california at berkely，2004 据。4m alauddin，m a el baradie，m s j hashmicomputerai ded analysis of a surfaceroughness model for end milling参考文献jjournal of materials processing technology，1995，55： 1231271田欣利，余安英基于回归分析方法的铣削表面粗糙度5李柏年，吴礼斌matlab数据分析方法m北京：机 预测模型的建立j机械制造与机床，2008(11)：101械工业出版社，2012：73-75104第一作者：王彦，硕士研究生，沈阳理工大学机械工程学 2吴德会基于最小二乘支持向量机的铣削加工表面粗糙院，110159沈阳市度预测模型j中国机械工程，2007，18(7)：838841first author：wang yah，postgraduate，school ofmcchani3 l(iha lee，david a dornfelda study of surface roughness incal engineering，shenyang l蹭ong university，shenyangthe microendmilling processdlaboratory for manufac110159，china万方数据2015年第49卷no6 89样板属于计量工具，从量值溯源的角度来讲，应 螺纹进行测绘，再逐一计算对应的牙型角和螺距。 该定期进行校准以确保其测量的准确性，尤其是新 测量过程繁琐，效率低，测量不确定性大。本文应用 制造的样板在交付用户使用之前应交由第三方检测 美国ogp公司生产的zip300型光学三坐标测量机 机构进行校准。但是无论是api rp 581或api rp (以下简称测量机)，设备采用多元传感技术，单轴 7g均未给出该量具是否应校准，校准哪些参数以及 最大允许误差08+l1501xm，测量软件为measure 相应的合格标准。国家校准规范ijf 1063-2000(石 mind专用测量软件。可根据被测件特征自主编程 油螺纹单项参数检查仪是专门针对石油螺纹单项 从而实现快速、准确测量。参数检查仪(以下简称单项仪)的校准规范。其中一，氏争每涉氏凸。亦未提及样板具体的计量性能要求、校准仪器和校i、上准方法。石油管螺纹校准的计量机构，接收的样板类检测日益增多，亟待研究出一套可操作的测量方多心记-处!r-擎法与标准去检测该类量规，从而保证石油工业用管，可 甜】蟛。旭的安全。剖厶戡一2确定测量参数图1齿形标准样块设计加工图在api tip 581、api rp 7g及jjf 1063中均未31编辑测量程序符合api spec 5b和api spec 7-2的螺纹接提及样板的校准，若研究样板的测量方法，首先应确定样板的测量参数。在api rp 581、api rp 7g均头型式约十余种，对应的样板也仅限于此。而不同厂家生产的样板工艺相对固定，结合测量机软件特 在相应章节叙述样板如何检测产品螺纹。以apirp 7g所述为例，样板检测产品完整螺纹段若连续点，可编辑适合每种样板的测量程序实现自动测量，从而提高测量效率。 四段牙侧面超过079ram间隙或者连续两段牙侧面首先，调整测量机光源强度、放大倍率等，根据 超过15ram缝隙视为不符合要求，需要应用螺距量规检测螺距是否超差来确认。假设产品螺纹锥度和样板要素进行手动定位，分别定位零位置a点(0，0，0)和定位对正b点(y=0)。下次测量同样的工 样板锥度一致的前提下，检测过程中是否存在间隙，其关键影响参数为牙型角和螺距。本文对样板的测件时，仅需要定位同样的a、b两点，然后调用对应的测量程序自动测量即可。建立样板坐标系，然后 量方法研究主要针对以上两个参数如何精确测量展开。连续测量5段牙侧面，在基准平面上连续构造两组在api spec 5b和api spec 7-2中，产品螺纹相交直线，相交直线对应的夹角即是牙型角。交点在x轴方向上投影之间的距离即是螺距，但无论是 牙型角和螺距允许偏差如表1所示。api spec 5b或者api spec 7-2螺距的测量都是在表1产品螺纹和样板允许偏差3、41中径圆锥上进行的，因此对样板螺距的测量也应该参数规范在中径线上测量。应用测量机软件中量规功能，选牙型角螺距择相交直线并输入对应螺纹型式的最佳三针直径即api spec 5b要求1。008mm254mm可完成中径线的构造，其球心在x轴上的投影之间符合5b的样板允许偏差200025mm的距离即是符合规范要求的螺距(见图2)。api spec 7-2要求15 o土0038mm254mm符合7-2的样板允许偏差300012mm参照jjf 1094-2002(测量仪器特性评定对样 板进行符合性判定，则样板自身的制造允许偏差应 小于或等于1：3对应表1中产品的允许偏差，则样 板的螺距和牙型角允许偏差见表1。3样板测量图2定位及起始测量过程但样板的计量要求测量应覆盖所有的凸起和凹 典型样板的设计加工如图1所示。它属于薄片槽，当样板上所有的凸起和凹槽对应的牙型角和螺类量具，可应用传统的万能工具显微镜对样板每牙万方数据工具技术距均符合表1要求，该样板方可视为符合要求。因此应该用测量机软件复制功能，对上述操作进行复“b)=蚤(簧)2 2(xi)制，通过简单的几何关系，给予x方向4-ne(p为理 得11,：()=c21u2(职)+c22u2(at) 论螺距，砣为复制次数)，y方向4-ntp2(t为螺纹式中，c1=ololx=1；c2=oloat=lxa。 接头锥度)的偏移量，软件可自动构造所有的凸起 (3)标准不确定度 和凹槽。再根据理论构造线路实现自动测量，计算标准不确定度是由校准源的不确定度构成的， 出实测值如图3所示。 校准误差源的不确定度分量分析如下：实测值以的标准不确定度由测量重复性估算的标准不确定度11,。相同 条件下，10次重复测量同一样板同一位置螺距，得 出实验标准差s=06771zm，实际只测量一次作为 测量结果。z1 1=0677ixm由测量机单轴最大允许误差引入的不确定度图3复制测量路径,。2。测量机x轴最大允许误差a=4-(08+影3_2测量数据处理在完成样板所有的凸起和凹槽自动测量后，可150)izm，x=635mm，a=0842斗m该量作为均匀分布处理，则列进行最大值、最小值及平均值计算；同时应用分支郴)=会=半一o486斗m应用软件数学功能，对所测得的牙型角数列、螺距数功能，根据允差条件判断，若有超差的凸起或凹槽则以上两项合成为 测量直接转到程序末尾。最后应用设计好的统计模u。=撕面f而丽=o833p,m板输出测量报告，基于测量机的测量程序原理如图温度引起的长度测量的标准不确定度,t：4所示。测量时环境温度控制在201 oc，样板的热膨固定工件，调整光源强度及放大倍数胀系数为115 x 10，以螺距为635mm，锥度为定位样板：设定a、b两点1：6的样板为例，则该变形量为a=1 x115 x106635 x10=00731a,m罩h2：00773：一042uh=_2 oq-z,mu该项作均匀分布处理，则该项不确定度为3测量机放大倍率测量引入的标准不确定度2,计算螺距、牙侧角算术平均值、最值(l) 样板在检测时通常选择的倍率为663，测量输出报告机标准玻璃线纹尺的长度测量扩展不确定度u=图4测量程序原理框图(02+15l)ltxm。 33测量不确定度评定应用测量机校准样块牙型角和螺距，进而判断u()=岽=0082p,m当放大663倍时，以其是否符合计量性能要求。螺距为635ram为例，u=02101xm，置信概率p=j(1)螺距测量模型1599，作正态分布处理，包含因子k=2576，故 l=lx+以(at)式中，l为样板的牙间距离；以为坐标测量机实际小)=燃-00821zm测量值；ol为样板线性膨胀系数；at为测量温度与合成标准不确定度标准温度的差值。上述误差源彼此独立，合成标准不确定度可表 (2)灵敏系数和方差示为考虑到各输入量相互独立，根据=(cl“1)2+(c2u2)2+(c3u(l)2=(1 x0833)2+(o073 x0042)2+(10082)2=o84txm万方数据2015年第49卷no6 91u。()=215410。(4)扩展不确定度(7)牙侧角0的标准不确定度取包含因子k=2，u=kuc，u=2084=h：(吣(篆)。u217m34牙型角测量不确定度评定斑咖(南)配2应用测量机对样板的牙型角进行测量，测量机k=tan60。=1732对牙型角的测量实际上是将两相邻牙侧角分别进行h，(t)=2154103牙侧角测量不确定度的评定。u：(日)=(志)(2154103)2=116106rad测量再相加，因此其测量不确定的评定即是对单一u。(口)=警36060一37(1)数学模型“。(日)=10810。3rad0=90。一arctank=90。一arctany=90。一arctan丝二丝戈xl一戈2式中，0为样板牙侧角；k为样板牙侧面两测量点构 (8)扩展不确定度 造线的斜率；戈为样板牙侧面两测量点的横坐标之取包含因子k=2，u=kuc，u=237=74差；y为样板牙侧面两测量点的纵坐标之差；z，、z：4结语为样板牙侧面两测量点的横坐标；y，、y：为样板牙侧面两测量点的纵坐标。(1)以上结合测量设备及测量方法评定的螺距 (2)方差和灵敏度系数及牙侧角测量不确定度评定结果符合校准规范jjf 1094-2002i贝量仪器特性评定符合性判定，即uu：(p)=(甏)2u2()l丁mpev i。因此，应用光学三坐标测量机可实现对u2=(篙)2u2+(芳)2“2 cy，齿形标准样板的精确校准。基于测量机的测量方法(3)不确定度分量 的科学性、测量不确定度等均符合计量要求。 测量样板牙侧角，髫=110ram，y=1087mm。(2)建议对jjf 1063-2000石油螺纹单项参数 (4)测量机x轴示值误差引入的不确定度,检查仪尽快修订，增加齿形标准样板计量要求、校(戈)准项目、校准方法及校准仪器等相关条款，推荐应用测量机x轴最大允许误差=(08十石光学三坐标测量机来校准齿形标准样板。 150)ixm，当菇=110ram，