田曉龍

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710000；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

熱張減工藝對(duì)高頻焊管API圓螺紋抗粘扣性能的影響

田曉龍1,2

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710000；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

如何提高高頻焊管API圓螺紋的抗粘扣性能一直是油套管生產(chǎn)廠家的重點(diǎn)研究課題，通過對(duì)采用熱張減工藝生產(chǎn)的高頻焊管作為管坯生產(chǎn)的油套管的API圓螺紋抗粘扣性能進(jìn)行分析，從熱張減工藝對(duì)焊管性能的影響、API圓螺紋粘扣失效機(jī)理、螺紋參數(shù)選配、接箍鍍層選用、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)要求等方面進(jìn)行了歸納分析，總結(jié)了熱張減工藝對(duì)高頻焊管API圓螺紋抗粘扣性能的影響，提出了一些在油套管生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題，具有一定的借鑒意義。

焊管；熱張減油套管；螺紋；粘扣

在油套管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，高頻焊管API圓螺紋粘扣是最常見的失效方式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約60%的焊接油套管失效事故直接或間接與螺紋粘扣有關(guān)，如何提高高頻焊管API圓螺紋的抗粘扣性能一直得到油套管生產(chǎn)廠家和客戶的重點(diǎn)關(guān)注。目前國內(nèi)高頻焊接油套管生產(chǎn)廠家多采用高頻焊接鋼管作為母管，生產(chǎn)的油套管具有壁厚均勻、圓度好、韌性高的優(yōu)點(diǎn)，但與傳統(tǒng)無縫油套管相比，在抗均勻腐蝕、抗螺紋粘扣方面具有一定差距。最近幾年有國內(nèi)廠家引進(jìn)歐美國家高頻焊管熱張減生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，通過對(duì)高頻焊管進(jìn)行全管體加熱后進(jìn)行強(qiáng)張力減徑，生產(chǎn)出一種張減焊管來作為油套管的管坯，在抗均勻腐蝕、抗螺紋粘扣方面得到了一定提高。本研究試圖通過分析熱張減工藝對(duì)高頻焊管性能影響、對(duì)比分析API圓螺紋抗粘扣性能，找出熱張減工藝影響高頻焊接油套管API圓螺紋抗粘扣性能的機(jī)理和原因，提出改進(jìn)和注意要點(diǎn)，為高頻焊接油套管的加工、使用提供參考。

1 焊管熱張減工藝簡介

熱張減工藝是指將加熱后的焊管在多機(jī)架的減徑機(jī)上不采用內(nèi)工具進(jìn)行軋制，在減少焊管直徑的同時(shí)控制焊管壁厚的增大或減小的過程。熱張減技術(shù)初期主要應(yīng)用在無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域，自1932年美國National Tube公司取得張力減徑專利并用于工業(yè)化生產(chǎn)以來，熱張減工藝取得了長足的進(jìn)步，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，經(jīng)歷了張減機(jī)架由二輥式到三輥式；傳動(dòng)技術(shù)由集中傳動(dòng)到混合傳動(dòng)、單獨(dú)傳動(dòng)；測(cè)厚技術(shù)的測(cè)量、傳感和閉環(huán)、開環(huán)壁厚控制；計(jì)算機(jī)管理和自動(dòng)化控制領(lǐng)域?qū)芏嗽龊?、?nèi)六方、消除管坯縱向不均以及軋制過程的模擬、診斷和過程控制方面取得顯著成就，在使鋼管軋制過程合理化、自動(dòng)化，可以有效地提高鋼管生產(chǎn)線的產(chǎn)量和質(zhì)量，獲得更好的經(jīng)濟(jì)合理性。由于無縫生產(chǎn)穿軋工藝的限制，無縫鋼管在生產(chǎn)厚壁、高精度、高韌性管材時(shí)受到一定的限制。

隨著石油鉆采、輸送行業(yè)對(duì)高精度、高韌性管材的需求，開發(fā)出了以充分軋制的卷板為原料，通過高精度的外軋輥成型，采用高頻焊接工藝生產(chǎn)的高頻直縫焊管，具有壁厚均勻、強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，在20世紀(jì)末發(fā)展成熟，并在世界范圍得到廣泛應(yīng)用。由于高頻焊管生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，高頻焊管在生產(chǎn)耐腐蝕、切削性好的產(chǎn)品時(shí)受到一定限制。為了滿足油套管在井下服役中遇到的高溫、高壓、地殼蠕變和腐蝕介質(zhì)等問題，以美國Long Star公司為代表的歐美鋼管生產(chǎn)廠家，將傳統(tǒng)的高頻焊管的成型、焊接工序與無縫鋼管的張減、熱處理工序進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，采用高精度中碳鋼熱軋卷板為原料，通過多次加熱和熱機(jī)械軋制，使管材的焊縫組織與母材組織得到充分的擴(kuò)散、融合，在微觀組織上達(dá)到基本一致，實(shí)現(xiàn)了“無縫化”，同時(shí)又保留了高頻焊管的橢圓度好、尺寸精度高、壁厚均勻、高韌性和抗擠毀性強(qiáng)的特點(diǎn)，將焊管和無縫鋼管的優(yōu)點(diǎn)集于一身，生產(chǎn)的高頻焊熱張減焊管具有壁厚均勻、組織均化、強(qiáng)度高、韌性好、抗腐蝕的特點(diǎn)，是歐美國家目前正在廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)的焊管制造技術(shù)，目前在國內(nèi)有廠家已引進(jìn)并成功生產(chǎn)該產(chǎn)品。

2 油套管螺紋粘扣機(jī)理

API圓螺紋粘扣現(xiàn)象本質(zhì)是在相互接觸金屬表面間產(chǎn)生冷焊（cold welding），之后發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致金屬表層撕裂的現(xiàn)象。即在油套管車絲后進(jìn)行上卸扣過程中，螺紋表面由于公母螺紋相互作用發(fā)生冷焊粘連，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)使冷焊部位產(chǎn)生金屬撕裂現(xiàn)象，在整個(gè)上卸扣過程中，冷焊點(diǎn)會(huì)不斷發(fā)生金屬撕裂并再次生成，持續(xù)的金屬撕裂現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重破壞螺紋連接的結(jié)構(gòu)完整性，造成抗拉脫性能的嚴(yán)重下降，同時(shí)也影響螺紋連接部位的密封完整性，發(fā)生嚴(yán)重粘扣的油套管在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中極易造成滑脫掉井和泄漏事故。

3 油套管螺紋粘扣分析

3.1 鋼管螺紋粘扣特征

通過對(duì)滿足API[1]標(biāo)準(zhǔn)要求的API圓螺紋的無縫油套管、高頻焊油套管和高頻焊熱張減油套管進(jìn)行大量模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的上卸扣試驗(yàn)，適當(dāng)增加作業(yè)條件至發(fā)生螺紋粘扣，觀察分析典型螺紋粘扣失效形貌，發(fā)現(xiàn)API圓螺紋粘扣現(xiàn)象具有以下特征：

（1）上卸扣前螺紋位置如圖1所示。管體外螺紋的螺紋粘扣現(xiàn)象80%以上發(fā)生在完整扣的前三扣（距管端），少量出現(xiàn)在管體外螺紋的后半部（接箍內(nèi)螺紋相對(duì)應(yīng)的位置也有不同程度的粘扣現(xiàn)象）。當(dāng)對(duì)螺紋表面（主要是螺紋前端未完整扣處）進(jìn)行拋光修磨后，相關(guān)螺紋粘扣現(xiàn)象明顯減少。

圖1 上卸扣前螺紋位置示意圖

（2）在上卸扣試驗(yàn)中，通過變更固定接箍夾持位置（上段、中段和下段）來觀察螺紋粘扣現(xiàn)象，當(dāng)接箍夾持在螺紋旋合位置中段和下段（不旋合位置）時(shí)，出現(xiàn)螺紋粘扣的比例基本相同；當(dāng)接箍夾持在螺紋旋合位置前段，出現(xiàn)螺紋粘扣的比例明顯增大。

（3）接箍夾持圓周受力情況如圖2所示。采用不同的錐度配合，分別將API圓螺紋加工公差控制在1/3、1/2和標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，對(duì)比發(fā)生螺紋粘扣的比例，將API圓螺紋加工公差控制在標(biāo)準(zhǔn)公差1/2及以下時(shí)，發(fā)生螺紋粘扣的比例明顯降低并趨于穩(wěn)定（文獻(xiàn)[2]認(rèn)為螺紋配合公差應(yīng)控制在1/3的標(biāo)準(zhǔn)公差下）；當(dāng)其他條件相同，僅改變螺紋錐度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，螺紋粘扣現(xiàn)象未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

圖2 接箍夾持圓周受力示意圖

（4）采取不同的上卸扣扭矩進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)扭矩大于API標(biāo)準(zhǔn)最大扭矩的1.1倍及以上時(shí)，螺紋粘扣現(xiàn)象明顯增加。

（5）采用屈服強(qiáng)度基本相同（50 MPa以內(nèi)）的無縫油套管、高頻焊油套管和高頻焊熱張減油套管進(jìn)行相同條件的上卸扣試驗(yàn)，無縫油套管和高頻焊熱張減油套管發(fā)生螺紋粘扣的比例基本相同，低于高頻焊油套管。相同條件下，屈服強(qiáng)度高的油套管抗粘扣性能比屈服強(qiáng)度低的油套管抗粘扣性能要好。

（6）使用標(biāo)準(zhǔn)磷化液初期生產(chǎn)的接箍和磷化液接近報(bào)廢階段生產(chǎn)的接箍進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，初期生產(chǎn)的接箍螺紋內(nèi)表面的磷化膜脫落現(xiàn)象要好。在接箍螺紋內(nèi)表面磷化膜出現(xiàn)較大面積脫落（1/4以上）后在繼續(xù)進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，出現(xiàn)螺紋粘扣的比例明顯增加。

3.2 鋼管螺紋粘扣原因

通過對(duì)比試驗(yàn)分析可知，API圓螺紋發(fā)生粘扣的根本原因是在螺紋上卸扣旋合過程中，因?yàn)橐韵聠为?dú)或綜合因素影響造成的。

（1）螺紋旋合初始接觸部位存在金屬殘留或螺紋光潔度差，在旋合過程中壓力作用下發(fā)生劃傷、粘連和金屬撕裂現(xiàn)象，出現(xiàn)螺紋粘扣。

（2）螺紋旋合時(shí)，相互配合的螺紋公差相差較大，導(dǎo)致螺紋配合所需變形量增加產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，螺紋配合旋轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生金屬粘連或磨損，出現(xiàn)螺紋粘扣。

（3）螺紋旋合時(shí)，接箍在固定夾持狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，當(dāng)夾持在接箍兩端時(shí)，如夾持力較大，彈性變形會(huì)導(dǎo)致接箍內(nèi)螺紋參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，在螺紋配合旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，容易發(fā)生金屬粘連或磨損，出現(xiàn)螺紋粘扣[2-3]。

（4）螺紋旋合時(shí)，因?yàn)榻庸苛谆み^薄、脫落露出金屬本體，在涂抹螺紋脂后不能形成穩(wěn)定的“潤滑膜”，造成螺紋旋合時(shí)部分金屬直接接觸，在壓力作用下容易發(fā)生金屬粘連或磨損，出現(xiàn)螺紋粘扣。

（5）螺紋旋合時(shí)，實(shí)際扭矩過大造成較大的接觸應(yīng)力，容易發(fā)生金屬粘連或磨損，出現(xiàn)螺紋粘扣[5-6]。

（6）螺紋旋合時(shí)，管材的整體性能越均勻越好，在螺紋旋合過程中受力產(chǎn)生的變形相對(duì)越均勻，不易形成個(gè)別位置的接觸應(yīng)力偏高，容易發(fā)生金屬粘連或磨損，出現(xiàn)螺紋粘扣。

4 實(shí)踐應(yīng)用

通過匯總、對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，跟蹤同鋼級(jí)API圓螺紋無縫油套管、高頻焊油套管和高頻焊熱張減油套管在大慶、吉林、青海、吐哈、長慶、延長等油田的實(shí)際使用情況，高頻焊熱張減油套管在不同地區(qū)井況、作業(yè)條件下的現(xiàn)場(chǎng)使用性能與無縫油套管相當(dāng)，部分性能優(yōu)于無縫油套管，完全能夠滿足使用要求。

綜合油套管生產(chǎn)實(shí)際和油田作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)情況，在保證API圓螺紋油套管的抗粘扣方面應(yīng)重點(diǎn)在生產(chǎn)組織中做好以下幾個(gè)方面工作：

（1）減少作業(yè)中過扭矩現(xiàn)象。目前國內(nèi)多數(shù)油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)采用力矩控制和平扣控制，因作業(yè)習(xí)慣，當(dāng)有外露扣時(shí)會(huì)加大扭矩旋緊至平扣，扭矩過大容易造成粘扣。在工廠組織生產(chǎn)時(shí)，油套管的現(xiàn)場(chǎng)端應(yīng)盡量采用負(fù)-負(fù)配合，減少外露扣現(xiàn)象。

（2）減少螺紋初始旋合時(shí)劃傷。在加工程序上減少齒頂毛刺內(nèi)翻現(xiàn)象；加強(qiáng)對(duì)螺紋未完整扣的表面修磨拋光，提高光潔度。

（3）控制螺紋參數(shù)加工精度。API圓螺紋加工精度應(yīng)盡量控制在API公差的1/2以內(nèi)。

（4）提高管材整體均勻性。

油套管管材的壁厚均勻度、橢圓度和力學(xué)性能均勻度的提高，能夠有效地減少API圓螺紋旋合時(shí)接觸應(yīng)力異常高點(diǎn)的發(fā)生，避免螺紋粘扣的發(fā)生。通過對(duì)高頻直縫焊管采用后續(xù)熱張力減徑工藝進(jìn)行性能優(yōu)化，可以充分保留壁厚均勻、圓度好的特點(diǎn)，同時(shí)有效地消除了管材在成型、焊接過程中的應(yīng)力殘留和化分異常，可以明顯提高高頻直縫焊管的管材整體均勻性。

5 結(jié)束語

通過對(duì)比、分析無縫油套管、高頻焊油套管和高頻焊熱張減油套管在上卸扣中抗粘扣的相關(guān)數(shù)據(jù)，提出了在生產(chǎn)組織中提高API圓螺紋油套管抗粘扣能力的相關(guān)措施。通過對(duì)高頻焊焊管采用熱張力減徑工藝進(jìn)行整體性能優(yōu)化，可以有效地提高高頻焊管API圓螺紋的抗粘扣性能，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，以上結(jié)論是有效、可行的，對(duì)油套管產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]API 5CT，SPI 5B（第 9 版），石油套管[S].

[2]張永強(qiáng)，王新虎.油套管螺紋抗粘扣技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008,37（2）：78-81.

[3]呂栓錄，劉明球.J55平式油管粘扣原因分析［J］.機(jī)械工程材料，2006（3）:69-71.

[4]呂栓錄，駱發(fā)前，趙盈,等.防硫油管粘扣原因分析及實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009,38（8）:37-40.

[5]呂栓錄，康延軍，孫德庫,等.偏梯形螺紋套管緊密距檢驗(yàn)粘扣原因分析及上卸扣試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008,37（10）：82-85.

[6]袁鵬斌，呂栓錄，姜濤,等.進(jìn)口油管脫扣和粘扣原因分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008,37（3）：74-77.

[7]王同海.管材塑性加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[8]徐秉業(yè)，陳森燦.塑性理論簡明教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1981.

[9]方華.API長圓螺紋套管抗粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究［J］.天津冶金，2003（6）:20-22.

[10]張懷德，尤鳳志，王如軍，等.油套管圓螺紋連結(jié)粘扣原因及其防止方法［J］.江蘇冶金，2005,33（2）:37-40.

[11]袁光杰，姚振強(qiáng).油套管螺紋連接抗粘扣技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.鋼鐵，2003,38（11）:66-69.

Effect of Hot Stretch-reducing Process on Gluing Resistance Property of High Frequency Welded Pipe API Round Thread

TIAN Xiaolong1,2
（1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710000,China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

How to improve the gluing resistance property of HFW pipe API round thread is always the key point of the oil casing pipe manufacturers’research subject.In this paper it analyzed API round thread gluing resistance of HFW oil casing tube,the billet pipe was produced by hot stretch-reducing process.From the influence of hot stretch-reducing process on welded pipe performance,API round thread gluing failure mechanism,parameters matching,coupling coating selection,the actual requirements and so on carried out the inductive analysis.It also summarized the influence of hot stretch-reducing process on HFW pipe API round thread gluing resistance,proposed some problems that should be paid attention to in the production of tubing and casing,has certain reference significance.

welded pipe;hot stretch-reducing;thread;gluing

TG356.51

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.006

田曉龍（1972—），男，工程師，西安石油大學(xué)在職研究生，主要從事油套管的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品開發(fā)工作。

2016-09-11

羅 剛