技术领域

本发明涉及一种方法，用以检测位于金属管端部的外或内管元件圆周 上的外或内锥度螺纹的尺寸，更具体地涉及一方法，用以在给定横截面上 检测此种外或内锥度螺纹节径的大小，以及施行此方法的检测装置。

术语螺纹的“节径”是指取自螺纹半高处外螺纹面的直径。内螺纹参 照外螺纹定义。

对于锥度螺纹，节径的名义值必须在给定横截面上定义。

                     背景技术

金属管的螺纹连接是公知的，它尤其被用于组成油气井或矿井的钻 井、开采管道或油气抽取导管，该连接形成在位于导管端部且分别设置有 外和内锥度螺纹的阳元件和阴元件间，该外和内锥度螺纹分别位于阳元件 和阴元件外或内圆周上。

此处使用的术语“导管”是指任意类型的管子，不仅简单地是长导管， 还是短的管道元件造型，例如，连接在一起的联接且开放的两个长导管。

美国石油协会(API)的规范API 5CT成为了油气开采工业的世界范围的 标准，它规定了用此种螺纹连接而结合的管子，此种连接包括具有三角形、 圆形或梯形的螺纹的锥度螺纹部分。

依然是API的规范API 5B规定了相应的螺纹和检测它的方法。

规范API 5B为每根管的尺寸明确提及了在一横截平面上的螺纹名义节 径，该横截平面位于在管子主体边缘上的完全外螺纹的末端，超过此平面 的外螺纹具有非完全的高度并逐渐消失。

在本文的余下部分，此平面被称作“节径的参考平面”，简写为“参考 平面”。术语“第一螺纹”涉及朝向相应的外或内元件自由端的螺纹部分的 边缘；术语“末尾螺纹”涉及反向于相应元件自由端的螺纹部分的边缘。

于是，末尾的完全的外螺纹位于参考平面内，而末尾外螺纹相应于管 子主体边缘的螺纹部分的末端。

根据API 5B制造的螺纹必须用手工紧缩量规检测，例如在检查外螺纹 情况下的包括内螺纹的环形量规，或在检查内螺纹情形下的包括外螺纹的 插入式量规。

当量规被旋上时，相对轴位置参照受检螺纹而得以检查，且规范API 5B 为该相对轴位置定义了一个值和一个公差。

API 5B规定的检测方法具有诸多优点，即螺纹的简单和快速全面的检 测，但是它也有许多经济上和技术上的缺点。

首先，对每个受检螺纹直径，硬量规检测方法要求用于不同级别的多 套量规，即主量规和次或工作量规，该工作量规在其磨损超过一临界值时 不得不抛弃。

这意味着不得不制造数量非常庞大的高精度量规，且不得不根据其磨 损状态而运用它们；于是成本高。

该螺纹检测方法提供了一个全局结果，该结果依赖于包括节径及锥度 和椭圆度的诸多参数，该参数相互作用，于是不利于检测结果的详细解释。

于是，当检测外螺纹时，如果被测外螺纹的锥度小于量规的锥度，则 外螺纹的第一根部与量规螺纹接触，而外螺纹的尾端根部具有相对于量规 的相应螺纹的径向间距。相对地，如果受检外螺纹的锥度大于量规的锥度， 则尾端外螺纹的根部与量规的螺纹接触，而不是第一螺纹的根部。

在两种情况下，在参考平面内，量规上相应平面内的外螺纹的节径小 于名义螺纹节径，但是，另外在第二种情况，第一外螺纹的节径是不准确 知道的。

相似地，在检测内螺纹的情形中，当受检内螺纹的锥度小于或大于量 规的锥度时，在参照平面中，量规上相应平面内的内螺纹的节径大于名义 节径，然而，当其更小时，第一外螺纹的节径是不准确知道的。

因为对API规范的国际认可和接受，诸如欧洲专利EP-A-0 488 912所 描述的连接的特殊螺纹连接的制造者已被强制使用与API连接规定的方法 相似的检测方法，该专利被公认为具有高于API连接的使用性能。

施行这些方法的成本是相当大的；生产者必须为其自己和分承包人准 备可用的全套量规。

于是不使用硬量规的螺纹检测方法已有开发，此方法施行对在参考面 或其它设定位置的节径的直接测量。

美国专利US-A-4 524 524描述了直接检测水平设置的外或内螺纹的节 径的方法和装置，其中： ·  该装置在离垂直支撑面一可调节水平距离处包括位于一垂直平面上的 一个上接触面和一个下接触面； ·  在上和下接触面之间的垂直距离被调节到一预设值； ·  该装置被放置，使得垂直支撑面支撑在螺纹受检的元件的端部，且使得 两个接触面与螺纹上在直径上相对的两个点上的螺纹顶接触； ·  这两个接触面间距离的差相对于预定值使用诸如对预设值归零的比测 器进行测量；

此种情况中的预设值相应于螺纹顶之间的直径名义值，并相应于节径 的名义值，根据受检的是外或内螺纹，节径的名义值因螺纹的高度而增加 或减少。

专利US-A-4 524 524的所有者出售的装置的说明书定义：

a)在当使用采用节径测量的检测方法时的节径公差(ΔD)与由规范API 5B所定义的硬量规的轴位置公差(ΔS)之间建立联系的所需关系 式：

ΔD＝ΔS·TTnom/100

TTnom是相对于直径的用百分数(％)表示的螺纹名义锥度；

b)对检测装置接触面几何形状对接触面间垂直距离预设值的影响进行 的精细修正；

c)确定检测装置接触面间垂直距离预设值以确定参考平面以外的测量 平面的位置的方法。于是，等于L·TTnom/100的量从名义节径上减 掉； L是测量平面和参考平面之间的轴距离，而TTnom是相对于直径用百分数(％) 表示的螺纹锥度的名义值。

然而，该装置的说明书没有附加关于在测量平面而非参考平面上施行 节径大小检测的任何特殊的重要性。

                      发明内容

在第一方面中，本发明试图开发一种检测外或内锥度螺纹的方法，该 螺纹适于高度紧密的连接，其外和内螺纹包括至少一个密封部件，该方法 不使用硬量规，却能够产生并且甚至保证与硬量规检测方法一样的性能。

我们于是试图使用一种方法，在此方法中，使用平面直径测量装置在给 定测量平面内检测节径。

在本文的后面部分，术语“平面直径测量装置”被简略为“测量装置”， 它是指与专利US-A-4 524 524所描述的相似或相同的装置，该装置可以被 用于测量待检物体给定横截面内的直径，它包括： ·  横向支撑面； ·  至少两个接触面，它们参照测量平面和相互之间的横向距离定义，且距 支撑面一个可调的轴向距离； ·  以及一装置，用于测量位于横向测量平面内的圆环的直径，该圆环在距 支撑面一给定轴向距离处与接触面相切。

我们还试图在横截面内测量节径，其中最重要的是考虑到待检连接的 预期密封特性进行测量。

使用平面直径检测装置的一个缺点是，待检节径仅在接近测量平面处被 准确知道；在相对远离测量平面的平面内的节径值因为待检螺纹锥度的制 造公差而非常地不确定。

本发明的方法用于检测位于外或内管道元件的外或内圆周的外或内锥 度螺纹，管道元件位于金属管端部，并包括至少一个密封装置，此方法是 这样一种方法，其中螺纹节径在位于距所绘参考平面一距离L的给定测量 平面内，使用设置有直径测量装置的平面直径测量装置进行检测。

本文使用的术语“密封装置”定义了一种装置，例如密封面、横向支撑 面或等同的装置。

外密封装置接近外元件自由端，而内密封装置在内元件上，使之与接近 将与内元件结合的外元件自由端的密封装置协同。

该方法包括下述步骤：

a)一步骤，以在所述平面直径测量装置上调整支撑面和测量平面之间 的距离，该距离是测量平面和参考平面间距离的函数；

b)一步骤，使用调整块，调整所述测量装置至接触表面之间的横向距 离的一个值，此值的特征大小根据测量平面内节径的估计值来确 定。根据测量的是外还是内螺纹，该特征大小分别大于或小于测量 面内节径估计值一个量h；此量h等于螺纹高度和已知几何修正因 子之和；

c)一步骤，用以测量选定测量面内螺纹的螺纹顶之间的直径，所述测 量装置以其支撑面与元件的自由端上的支撑面贴合；

d)一步骤，用以将螺纹顶之间的被测直径与容许的限度进行比较。

外螺纹节径的测量平面是位于参考平面和第一完整外螺纹之间的一平 面。当然，测量平面的选择必须允许测量装置的接触表面能在完整螺纹顶 的足够长度上都存在。

外螺纹节径的测量面优选地是这样的平面，它位于参考平面和与第一 完整外螺纹相应的平面之间的大致轴向半程处。

锥度内螺纹节径的测量面是这样的图绘平面，当两个外或内螺纹在图 中连接时，此平面与外螺纹节径的测量平面重合。

在一变体中，如果与外螺纹节径的测量面重合的图绘平面不在完整内 螺纹区中，那么内锥度螺纹的节径的测量面是位于完整内螺纹区中离所述 重合面最近的横截面。

测量平面中外螺纹节径的估计值D1e用以下公式得到，本文后续部分中 所有的锥度值参照直径并表示为百分数(％)： D1e＝Dnom-L1·TTrep1/100 ${\mathrm{TT}}_{\mathrm{rep}1}={\mathrm{TT}}_{\mathrm{nom}}+K_1·\mathrm{\Delta T}{T}_1+\frac{K_1·{\sigma }_1}{\sqrt{2\pi }}·\exp [-\frac{1}{2}·{(\mathrm{\Delta T}{T}_1/{\sigma }_1)}^2]$

          -K1·ΔTT1·g(-ΔTT1/σ1)

测量平面中内螺纹节径的估计值D2e用以下公式得到： D2e＝Dnom-L2·TTrep2/100 ${\mathrm{TT}}_{\mathrm{rep}2}={\mathrm{TT}}_{\mathrm{nom}}+K2·\mathrm{\Delta TT}2+\frac{K2·\sigma 2}{\sqrt{2\pi }}·\exp [-\frac{1}{2}·{(\mathrm{\Delta TT}2/\sigma 2)}^2]$

          -K2·ΔTT2·g(-ΔTT2/σ2)

等式中的标记1和2分别对应外和内螺纹。

Dnom是参考平面内节径的名义值；

TTrep是锥度的图示值；

L是测量平面与参考平面间的距离，且当测量平面相对参考平面位于 小直径侧时为正；

TTnom是螺纹锥度的名义值；

ΔTT是差(TTav-TTnom)的代数值；

TTmin、TTmax和TTav分别是所生产螺纹的锥度的最小、最大和平均值；

σ是所生产锥度值分布的标准误差；

K1是外螺纹长度与参考平面(P0)和第一完整外螺纹之间的距离的比，而 K2是内螺纹长度与参考平面(P0)和末端完整内螺纹之间的距离的比；

g(x)是变量值x的简化中心正态分布的值。

由其等式定义的锥度TTrep的图示值相应于假想圆锥的锥度，其等于节 径名义值的最大直径位于参考平面内，而其等于用硬量规检测的螺纹节径 平均值的最小直径位于这样的平面内，该平面位于在至少一个密封装置侧 面的受检螺纹的螺纹末端。

本发明解决了关于位置的问题，其中最重要的是测量待检螺纹的节径 以优化螺纹连接的密封特性。

发明人在开发本发明时意识到，在第一完整外螺纹区中过大的直径螺 纹过盈对连接的密封有不利影响，尤其是当金属密封表面设置在外螺纹和 外元件末端之间以与位于内元件上的金属密封表面径向过盈配合时。

在两个径向过盈的旋转表面上的配合点之间的直径过盈通常被定义为 这些点处该表面的横截面直径上的差额，该直径过盈在连接之前测量，且 当在连接时两个表面在配合点间施加接触压力时为正。该定义既对过盈螺 纹也对密封表面适用。

为了估计接近第一完整外螺纹的直径螺纹过盈值，为了不引入由锥度 的可变性导致的大的不确定性，必须测量更接近该区的节径，而不是接近 末端完整外螺纹：这样的目的在本发明中得以考虑。

当用本发明的方法或用如API 5B所规定的硬量规进行检测时，本发明 也能确保由本发明的方法在接近至少一个密封装置的螺纹平面内检测的螺 纹节径的平均值将会是相同的，即使测量平面不完全位于螺纹的末端。

该内螺纹锥度的平均值优选地小于与之联系的外螺纹锥度的平均值。

这种差别促进了连接的生产，其中，在接近至少一个密封部件处螺纹 过盈被降低，在此水平上的螺纹直径过盈值被本发明的检测方法所优选地 得到。

外螺纹锥度的平均值优选地高于名义值。

在一变体中，内螺纹锥度的平均值小于名义值。

在螺纹顶部之间的被测直径容许的最小和最大值可以直接地从所考虑 测量面内的节径的容许最小和最大值定义，根据被测的是外或内螺纹，该 值随螺纹的高度增加或降低。

节径的容许最小和最大值可以从节径D1e或D2e的估计值的公差直接定 义，或通过用公式中参考面与测量面间距离的容许最小和最大值代替该距 离值，该公式给出了测量面内节径的估计值。

在调整测量装置的步骤中，该测量装置优选地被调零，然后在测量步 骤中，差额参照零点被测量，最后，在比较步骤中，该差额与公差范围比 较。

优选地，当测量装置有两个接触表面时，通过在每次测量之间绕连接 轴旋转测量装置或被检测螺纹八分之一转而在同一个检测面上将该检测方 法执行四次，在所考虑的检测面内的螺纹顶之间的直径等于四次测量的平 均值。

在一变体中，当测量装置有三个互成120°的接触表面时，该检测方法 被执行三次，在每次测量之间绕连接轴旋转测量装置或螺纹40°，也即九分 之一转。

在本发明的第二方面，发明者提供了一种平面直径测量装置，它允许 本发明的方法迅速而经济地执行。

当该测量装置有两个接触表面时，该装置必须绕两个接触面中的一个 转动以探测受检螺纹的点，该点在直径上与枢轴接触面施加的点相对，螺 纹顶之间的直径相应于在转动动作过程中进行的测量中的最大值。该测量 装置于是包括一自动获取该最大值的装置。

本发明还试图使得本发明的检测方法在根据标准规范的加工偏差的事 件中迅速作出反应。

为此，该检测装置包括对获得的值执行统计计算的装置。

在第三方面中，本发明提供了一个调节块，它被用于在本发明第一方 面的检测方法中调节接触表面间距离的预设值。

当检测外锥度螺纹时，根据此第三方面，与具有两个接触表面的测量 装置一起使用的调节块呈平头楔形的形式，它包括：

·  横向端面；以及

·  两个具有大致纵向取向的平面，相对于该横向端面对称地倾斜并向 它会聚；

·在所述平面之间的角度，它等于2·tg-1(TTav1/2)；以及

·所述倾斜平面间的横向距离，它在距端面纵向距离LA处等于 (D1e+h)，其中h是先前定义的量。

在一变体中，与具有三个接触表面的测量装置一起使用的调整块呈截 锥体的形式，并且包括在锥顶侧的横向端面和具有锥度TTav1的圆周锥度表 面，在距横向端面距离LA处的锥平面的直径等于(D1e+h)。

在端表面边缘的其倾斜平面或其锥度圆周表面的端部，该调整块还可 以包括一具有不同锥度或斜度的部分，它重现了外元件密封装置的外形。 特别地，此种调整块允许第二平面直径测量装置被调整以检测密封表面的 直径。

当检测内锥度螺纹时，与第三方面中具有两个接触表面的测量装置一 起使用的调整块具有一横向端面和一内部空间，该空间由调整块的两个平 面界定，此两个平面具有大致纵向的取向，并相对于所述端面对称倾斜且 向内部空间的背面会聚，所述倾斜平面间的角度等于2·tg-1(TTav2/2)，且所 述倾斜平面间的横向距离在距端面一纵向距离LB处等于(D2e-h)，其中h 是上文定义的量。

在一变体中，为了检测内锥度螺纹，与具有三个接触表面的测量装置 一起使用的调整块包括一横向端面和一内部空间，此空间由具有纵向轴和 锥度TTav2的锥度圆周表面界定，其顶部朝向与横向端面相对的一侧，且其 中在距横向端面距离LB处的直径等于(D2e-h)。

在相对其横向端面的一侧在其倾斜平面或其锥度圆周表面的端部，用 于检测内锥度螺纹的调整块也可以包括一具有不同锥度或斜度的部分，它 重现了内元件上至少一个密封装置的外形。此种调整块使得第二平面直径 测量装置被调节以检测密封表面的直径。

附图说明

附图显示了本发明实施例的非限定性例子。

图1显示了在管子端部的内螺纹元件；

图2显示了在管子端部的外螺纹元件；

图3显示了被连接的图1和图2的元件；

图4简略显示了用插入式量规根据规范API 5B对内元件的测量；

图5简略显示了用环式量规根据规范API 5B对外元件的测量；

图6显示了用本发明的平面直径测量装置对图2所示类型的外元件的 检测。

图7显示了在平面直径测量装置接触平面处的图6的详细情况；

图8显示了在平面直径测量装置另一接触平面处的图6的详细情况；

图9显示了使用本发明的平面直径测量装置对图1所示类型内元件的 检测；

图10至图13显示了用于检测根据图6的外螺纹的实心调整块的变体， 而图14至图17涉及当检测图9的内螺纹时使用的空心调整块；

图18是在具有多种可能锥度的外螺纹一端的节径位置与图5所示类型 环形量规节径的位置之间的关系的简略的图示；以及

图19显示了内螺纹情形下相对于图4所示类型硬量规节径位置的同样 类型的关系。

在图18和图19中，锥度上的不同已经被充分放大以更清晰地显示值 的分布。