抽油泵螺纹量规技术参数及校准方法研究

冯 娜，艾裕丰，白小亮，南灵燕，李光峰

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077； 2.长庆油田分公司物资供应处 陕西 西安 710018)

0 引 言

抽油泵是由抽油机作为动力将井内原油举升到地面的井下装置。作为抽油机采油系统的重要组成部分，抽油泵在采油工程中发挥着重要作用。杆式抽油泵适合于在深井中使用，整体随抽油杆下入油管内的预定位置固定并密封，具有检泵时不需起下油管，作业方便，减少油管的上卸扣操作，延长油管的使用寿命的优点。随着石油天然气勘探的发展，常规杆式抽油泵已成为国内油田主要的采油方式之一。杆式抽油泵主要依据API Spec 11AX-2015《地下杆式抽油泵及其配件规范》和GB/T 18607-2017《石油天然气工业 钻井和采油设备往复式整筒抽油泵》(等同采用API标准)。标准中仅给出了产品螺纹的公差要求，没有包含螺纹量规规范，无法从这两个标准中获取对抽油泵螺纹量规的各项参数和公差要求。基于不同设计依据设计的抽油泵螺纹量规存在较大差异，导致抽油泵螺纹产品检验时争议时有发生，为更好解决这一问题，对抽油泵螺纹量规技术参数及校准方法开展研究具有重要意义。

1 抽油泵螺纹产品公差计算

由于石油工业对安全的特殊要求，石油工业专用螺纹精度要求较高。抽油泵螺纹和套管、油管、钻杆、钻铤等产品使用锥管螺纹不同，抽油泵上大量使用的螺纹是一种直螺纹，为统一螺纹(用UN表示)3A-3B级精度。为保证螺纹零件的互换性，根据公差和容隙的大小，统一螺纹规定了6个不同的螺纹等级，精度级别如图1所示。3A级外螺纹和3B级内螺纹用于螺纹配合的松紧度和螺距、半角的精度要求较高的情况。

图1 统一螺纹精度级别

API Spec 11AX—2015《地下杆式抽油泵及其配件规范》规定的抽油泵螺纹螺距为每英寸10牙、11.5牙、14牙，16牙，外径从0.750 0～4.238 0 in(1 in=25.4mm)，共34个规格。其中19个规格是是特殊直径的统一螺纹，每英寸11.5牙的抽油泵螺纹是非标准直径—螺距组合的特殊统一螺纹。正常的统一螺纹内螺纹产品中径公差是外螺纹的1.3倍。API Spec 11AX—2015和GB/T 18607—2017中的抽油泵内螺纹产品中径公差与外螺纹中径公差数值相同。

为了进行抽油泵螺纹量规研究，首先需要确定抽油泵螺纹产品的公差范围。抽油泵螺纹产品公差范围见表1。

表1 抽油泵螺纹产品几何尺寸

2 抽油泵螺纹量规的差异

1948年11月18日加拿大、英国和美国标准化机构的代表在华盛顿签订协议，由此产生了统一螺纹。中国在加入 WTO以前没有制定统一螺纹国家标准，加入 WTO 以后，随着国内市场不断地对外开放，没有统一螺纹国家标准的问题变得更加严重和突出。2006 年，中国颁布了统一螺纹的标准。螺纹代号中采用字母A表示外螺纹，公差取负值，以基本尺寸为准向小于基本尺寸的方向规定；采用字母B表示内螺母，公取差正值，以基本尺寸为准向大于基本尺寸的方向规定。

中国在螺纹检验方面采用的体系与美国不同，其差异见表2。美国统一螺纹量规主要依据ASME B1.2—1983(R2017)《统一螺纹的量规和测量》；中国统一螺纹量规主要依据JB/T 10865—2008《统一螺纹量规》。美国采用可调式螺纹环规，如图2所示，用2件W级截短牙顶抽油泵校对塞规调整螺纹环规，环规需要同时在完整牙型部分和截短牙型部分校对[1]。中国采用固定式螺纹环规，如图3所示，用一组6件校对塞规控制螺纹环规的尺寸。

表2 中国与美国抽油泵螺纹量规体系差异

图2 可调式抽油泵螺纹环规

图3 固定式抽油泵螺纹环规

3 抽油泵螺纹产品检验发生误判的概率

美国标准ASME B1.2-1983的螺纹环规没有磨损限，中国机械行业标准JB/T 10865—2008的螺纹环规有磨损限。为了使中国行业标准检验结果与美国标准的检验结果尽可能达到一致，行业标准比米制普通螺纹量规标准GB/T 3934—2003在精度方面有较大的提高[2-3]。陕西航空宏峰精密机械工具有限责任公司标准是按照米制普通螺纹量规标准GB/T 3934—2003设计的，量规公差偏大。选取0.750 0-10UNS规格的统一螺纹为研究对象，其产品外螺纹中径下线为17.287 mm,其产品外螺纹中径上限为17.399 mm。工作环规中径公差如图4所示，各种标准体系下该规格的抽油泵螺纹量规中径公差分布见表3。

图4 0.750 0-10UNS规格抽油泵外螺工作环规公差

表3 0.750 0-10UNS规格抽油泵外螺纹及其量规中径公差 mm

为求得各种体系螺纹工作环规检验抽油泵螺纹产品发生误判的概率，运用概率统计相关知识进行研究。假设抽油泵螺纹产品中径公差服从正态分布，为X～N1(μ1,σ12)，产品中径中间值为数学期望μ1，公差范围的一半大小为3σ1；抽油泵螺纹量规中径公差分布为Y～N2(μ2,σ22)，量规中径中间值为数学期望μ2，公差范围的一半大小为3σ2。构造统计量T=Y-X,则可求T≤0的概率。根据统计学知识，T～N(μ2-μ1,σ12+σ22+2rσ1σ2)，由于X与Y相互独立，则r=0，因此T～N(μ2-μ1,σ12+σ22)；P (T≤0) =FT (0)。

ASME B1.13螺纹工作环规检验合格的产品外螺纹一定合格，存在把合格产品误判为不合格的可能性，其概率为0.002 8。JB/T 10865螺纹工作环规检验后合格的产品最小中径不一定合格，其概率为0.007；存在检验后最大中径合格的产品误判为不合格的可能性，其概率为0.004 3。GB/T 3934螺纹工作环规检验后合格的产品小最小中径、最小大径均存在不合格的可能性，最大中径检验合格实际不合格的概率为0.001 5；最小中径检验合格实际不合格的概率为0.000 4。

4 抽油泵螺纹量规校准方法

随着校准技术的发展，1台仪器设备可以完成多项参数的校准，抽油泵螺纹量规校准的计量标准及配套设备的选用见表4。

表4 抽油泵螺纹量规校准计量标准及配套设备的选用

使用螺纹扫描仪进行抽油泵螺纹量规校准，实际上是基于量规的端面进行定位，测量定位要求塞规具有精确的顶尖孔，其测量效率高。完成1件抽油泵螺纹量规校准通常在3 min内，测量结果直观，测量重复性好，但是测量直径受限，外径超过100 mm,即适合校准规格为0.750 0-10 UNS 3A～3.238 0-11.5 UNS 3A的所有抽油泵螺纹量规。

使用三坐标测量机进行抽油泵量规校准，是基于量规的作用中径进行定位，螺纹塞规校准夹持和定位时无需顶尖孔。其测量精度高于螺纹扫描仪，但是测量效率相对较低，校准1件抽油螺纹塞规通常需要7 min。三坐标测量机由于星形测头占据空间较大，无法测量部分小规格的抽油泵螺纹环规。如不使用扫描测量方法，也无法得到螺纹牙侧角参数。

使用测长仪进行抽油泵螺纹量规大径、中径校准和利用轮廓仪进行抽油泵螺纹量规牙测角校准时，是基于量规的大径进行定位，其测量结果的准确度受到各牙大径加工精度的影响。轮廓测量仪仅能校准抽油泵螺纹量规的牙侧角和螺距参数，无法校准抽油泵螺纹量规的大径、中径参数。应用测长仪和轮廓仪，精度高，效率低，可用于不合格产品复验。

5 结 论

1)抽油泵螺纹是属于特殊直径或非标准的直径—螺距组合的特殊统一螺纹，公差级别为3A-3B级。

2)由于设计依据不同，美国和中国抽油泵螺纹量规结构形式存在较大差异，美国螺纹工作环规为可调式，用2件校对塞规确定其中径尺寸是否符合要求，中国螺纹工作环规为固定式，用6件校对塞规确定其中径尺寸是否符合要求。

3)ASME B1.13螺纹工作环规检验合格的产品外螺纹一定合格，中国螺纹工作环规检验合格的产品外螺纹不一定合格。通过构造抽油泵螺纹和螺纹量规的分布函数，进行概率计算可得到各种螺纹工作环规检验抽油泵螺纹产品发生误判的各种概率。

4)抽油泵螺纹量规校准有基于端面、大径、中径定位方式等多种方法，需结合校准设备自身特点、校准目的、校准效率选取合适的校准方法。