石 油 螺 纹 的 检 验

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石 油 螺 纹 的 检 验□中国计量科学研究院　王为农　薛　梓
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5 A; l" b6 W% ^; o7 p　　在石油钻采工业中，使用着大量的石油专用管材。作为钻采设备的关键――钻柱、套管和油管均是10米左右一根带锥螺纹的专用管材依靠螺纹接头将其连结起来的。这种锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连结部分直径误差的特点，因此具有互换性程度高、结合紧密和装拆容易等优点，在管材连结中应用极为广泛。但螺纹连结部分因为其受力条件较管体更为恶劣，是专用管材最薄弱的环节。为了保证管材之间的螺纹连接能达到足够的抗拉伸失效强度、良好的密封性、可靠的互换性和较长的使用寿命，确保钻采的施工安全，就必须对管材螺纹质量的检验和量值的溯源进行严格管理。
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　　石油专用管材包括钻杆、油管、套管等多种形式，分别在油井钻采的不同阶段使用。图1是一口完成油井的示意图。图中油管和套管是完成油井的组成部分。其中套管组成的套管柱可以在钻成的油井中保护井壁，避免地层流体流出或地层坍塌，它是油井的固定组成部分。油管是最内层的管子，石油通过油管采到地面。油管需要经常取出，有时需要更换。

　　1997年仅中国石油天然气总公司钻井1035口，总钻井深度266?9万米。由于平均井深达2600米，所使用的各种管材螺纹接头承受的拉力非常大。

　　保证每一根管子的每一个螺纹(以下简称石油螺纹)连接质量，是通过专门设计和准确加工的螺纹实现的。为适应油田不同环境、不同地质条件以及管子的不同需要，螺纹的形式也各不相同。适当的设计在产品投放市场前通过实验室和样机试验来证实。准确的加工通过对螺纹尺寸的准确检验来验证。为了保证石油管材的产品质量和规格统一，我国采用美国石油学会(API)的规范作为产品设计和检验的规范。
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　　由于API标准的全面性、通用性和合理性，除美国外，现在世界上包括美洲、欧洲、亚洲和大洋洲在内的很多国家的石油工业都采用API标准对石油管材进行设计、制造、检验和溯源。

　　1?现场检验

( a' u+ Z# E0 C; s　　石油螺纹尺寸的质量检验包括对螺纹的参数误差检验和通过量规进行的综合检验。参数检验包括测量螺距、牙高、锥度、中径、齿厚等各种参数；综合参数检验主要使用工作规检验紧密距参数。
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　　检验分别在制造厂内和生产现场进行。

: ]) Q/ _+ Q6 ~: m, f; b7 C/ y% D- B　　制造厂内对管材的检验可以具有较好的测量设备和环境，在涂上螺纹保护层前进行。厂内检验可以发现超差的产品，并及时调整生产工艺，保证出厂产品的质量。

　　　　图1?带悬挂衬管的油、气井筒图（图片略）
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　　现场检验的目的是对新的或重复使用的管材质量进行检验，以消除装运期间和出厂检测中未发现的缺陷，以及使用中对管材造成的损害。现场检验使用的设备包括单项参数检查仪和检验用工作量规。
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4 C- M* x5 e7 W3 C& s　　石油螺纹单参数检查仪(单项仪)由各种单参数量表和校对仪、标准块组成。单参数量表包括螺距量规、螺纹牙高量规、偏梯形螺纹牙高量规、锥度量规、偏梯形套管螺纹锥度量规、接箍螺纹同轴度量规、凹坑量规、座架规、单表量规、壁厚量规、中径量规、螺纹消失端量规。校验仪可以对上述量表示值进行校验。标准块为相对测量提供标准值。
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& w( o# S9 Y" f  l  r; n9 T1 W　　在单参数合格的情况下，使用工作量规对管材的综合误差进行检验。
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　　保证螺纹的质量和量值一致性显然非常重要，因为它直接影响油井钻采的安全。但如果现场检验不当造成合格的管子被拒收，也会加大制造厂和用户的经济负担。因此，必须仔细地、合理地进行质量检验。
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　　现场检验时应注意的问题是：管材螺纹的尺寸是管加工时的控制尺寸。制造厂内管子检验完毕后，往往会加上涂层，以保护管接头，防止腐蚀和增加密封性。带有涂层螺纹的现场检验比制造厂内实验室检验的准确度低，因而对检验结果的解释须慎重。检验出现争议时，须去除涂层并对零件重新检验。

9 ^5 E" ^$ k& Y. w% N+ e　　2?检验的溯源

, S% o+ `- l3 c$ D8 I　　对管材的检验，包括制造厂内和现场的检验，均需要通过适当的方法进行溯源。我国公布了石油螺纹计量器具的检定系统。

: g6 [: u% I# @3 q7 h) ^　　检验的溯源包括现场使用的单参数量表的溯源和量规的溯源。单参数量表通过控制校验仪和标准块实现；量规检验通过工作规、校对规溯源，其中旋转台肩钻杆接头螺纹量规还要进一步通过地区规、原始规溯源。使用量规进行校准测量时，将上级量规与被校量规按规定方法旋合后，测量其端面的距离：紧密距。
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" _3 E# J  Y/ H% U+ h　　1990年由国家技术监督局批准的，中国计量科学研究院建立的石油螺纹参量国家基准可以对钻杆接头、油管、套管、管线管、抽油杆的螺纹校对量规开展检定服务。1991年，保存石油螺纹参量国家基准的中国计量科学研究院经API官员和技术专家的现场评审，得到认可，列入了相应的API规范，是世界上7个经API认可的石油螺纹校对量规的校准机构之一，在我国是唯一的一家。1999年，中国计量科学研究院又通过了中国实验室国家认可委员会的校准实验室认可。
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/ g* }, ~7 L# _' F1 H　　根据API规范，新的和修复后的量规，必须经规范中公布的校准机构校准合格后，方可投入使用。量规的校准必须包括参数误差和紧密距测量，只有参数误差和紧密距全部测量均合格，量规才是合格的。旋转台肩钻杆接头螺纹校对规，其首次校准、周期校准和修复后校准，都必须与地区规旋合校准互换紧密距。抽油杆螺纹首次校准、周期校准和修复后校准，均须校准量规的参数误差。
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+ z. M  Z+ }  Q　　新制造的和修复后的工作量规，在参数误差检查合格的情况下，使用校对规对工作规进行紧密距校准。

　　石油螺纹单参数量表使用校验仪进行校准。使用中，部分单参数量表和标准样板结合，进行螺纹参数的相对测量。因此，全套单项仪通过校验仪和标准样板进行溯源。
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8 x7 q4 |9 R2 A1 r  B& X　　3?溯源的管理
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  W# @5 W0 W$ c　　石油螺纹的旋合结果是多参数综合作用的结果。量规检验中必然存在许多不确定因素。特别是API标准中各级别的量规公差相同，可能出现两个合格的量规对同一个量规的检验结果不同，从而造成量值的混乱，甚至拒收合格品或出现质量事故。
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6 E" I, }" E0 K) K& e+ Q* M　　因此，API螺纹的检验，除必须加强技术措施外，还必须加强管理措施，例如尽量保证量规的溯源途径唯一，使工作规通过同一副校对规校准，校对规通过同一副地区规校准(包括首次校准和后续校准)，形成树形溯源链，避免交叉结构(图2)。所以在国外，为了保证量值溯源的统一性，一个地区的校准机构只设唯一的一个，例如：在美国多家公司可以生产地区规，但被批准的API校对规校准机构只有美国标准技术研究院(NIST)；欧洲的德国物理技术研究院(PTB)和英国国家物理实验室(NPL)。这些机构都曾经开展API校对规的校准，但随着欧洲一体化的进程，德国停止了这方面的工作，所有API校对规集中到英国校准。
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: [$ ?' |$ P) M$ I7 q% D' b) G  q　　　　图2（图片略）

　　石油钻采是高成本的工业，每口井需要大量的资金投入。而钻采过程中的管材工作在高温、高压和大扭转力和拉伸力的条件下，管体强度和连接强度直接关系到钻井的成功和成本。合理、准确的螺纹检验是连接强度得到保证的最后屏障，检验的溯源是保证检验准确的技术保障。只有加强管理，在质量保证体系中严格和正确地执行检验和校准规范，才能更好地保证油井钻采的安全。