王一岑， 苑清英， 符利兵，劉新成，張 俊

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽111000）

油套管上卸扣扭矩準確度的影響因素及改善措施

王一岑1,2， 苑清英1,2， 符利兵1,2，劉新成1,2，張 俊1,3

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽111000）

上卸扣扭矩是提高油套管螺紋連接性能的重要因素，為了更準確地檢測上扣扭矩，提高上扣質量，分析了上卸扣過程中傳感器精度、整機精度以及采集精度等對上卸扣扭矩的影響，并對2種規(guī)格的4組樣管進行上扣對比試驗。結果表明，通過改變校準方法及采樣頻率等可降低上扣扭矩的離散型及不準確度。最后建議在油套管上扣過程中，采用6個及以上鉗牙上扣，均勻夾持接箍，并將背鉗調制在水平位置進行上卸扣，可以提高上扣質量，保證油套管螺紋連接的強度。

油套管；上卸扣；扭矩；螺紋連接；扭矩準確性；傳感器精度；整機精度；采集精度

Abstract:The screw-on-off torque is an important factor of improving the performance of oil casing thread connection,in order to detect the screw-on torque and increase the screw-on quality,it analyzed the influence of sensor accuracy,the whole machine accuracy,acquisition accuracy and other factors on screw-on torque,and the contrast experiment was carried out for four groups sample tubes(two kinds of specifications).The results showed that the discreteness and inaccuracy of screw-on torque were reduced by changing the calibration method and sampling frequency.Finally it suggested should adopt 6 or more jaws screw-on,uniformly clamping coupling,and modulate back-up wrench in a horizontal position to carry out screw-on-off,can improve the quality of the screw-on,and ensure the strength of the oil casing thread connection.

Key words:casing and tubing;screw-on-off;torque;screw connection;torque accuracy;sensor precision;whole machine accuracy;acquisition precision

石油鉆采行業(yè)中，油套管的主要連接方式為螺紋連接，螺紋連接性能直接影響到油套管的連接性能和密封性能。油套管接頭連接強度是靠內、外螺紋牙齒側面彈性配合來實現(xiàn)的。油氣井發(fā)生泄露等事故的原因大都是由于油套管螺紋發(fā)生粘扣，造成螺紋連接強度降低、螺紋密封面損壞、密封性能下降等。因此，上卸扣的質量直接影響到油套管螺紋的使用性能。美國石油協(xié)會及我國國家標準對不同規(guī)格、不同鋼級的油套管上扣均給出了嚴格的扭矩要求。如果上扣扭矩過高，就會增加螺紋損壞、粘扣的幾率；如果上扣扭矩不足，則會導致滑脫、泄漏等現(xiàn)象[1-3]。因此要保證內、外螺紋最佳連接性能，提高上扣扭矩控制的準確度十分重要。

1 油套管上卸扣設備工作原理

1.1 主鉗、背鉗工作原理

上卸扣設備結構如圖1所示。上卸扣設備動力由液壓站提供，通過換向閥實現(xiàn)上扣、卸扣。背鉗、主鉗均為開口式，通過液壓系統(tǒng)提供壓力。背鉗浮動，在上扣過程中隨絲扣移動，油壓驅動油缸將動力傳給背鉗的顎板及鉗牙，使得顎板及鉗牙靠近樣管將其夾緊。主鉗固定，不隨上扣過程移動。當主鉗轉動時，液壓馬達驅動大齒輪旋轉，帶動主鉗上轉子旋轉使得顎板在曲面上爬坡，進而抱緊樣管。

圖1 上卸扣設備結構示意圖

1.2 扭矩控制原理

最早國內開發(fā)的幾種接箍擰接機漏油問題嚴重，且扭矩是通過測定液壓馬達的油壓來進行換算的。由于液壓系統(tǒng)的效率不高，因此就不能準確地測量出實際的扭矩值[4]，并且每次需要調整限壓閥以避免扭矩過大。目前上卸扣設備主要是依靠背鉗上的壓式傳感器進行扭矩采集，壓式扭矩傳感器結構如圖2所示。傳感器采用皮瓦與油腔相連，壓墊通過螺絲固定皮瓦，壓蓋通過螺絲與油腔固定。在上扣過程中，主鉗旋轉帶動浮動背鉗，背鉗將力施加到傳感器上，壓蓋壓動皮瓦產生壓力。通過測量上卸扣設備的背鉗力臂進而計算出扭矩，這樣就有效避免了液壓系統(tǒng)傳動效率所引起的誤差，提高了采集扭矩的精確度。

圖2 壓式扭矩傳感器結構示意圖

1.3 圈速記錄

圈速是通過固定在主鉗上的編碼器來采集的，通過編碼器下端齒輪與主鉗大齒輪相連實現(xiàn)旋轉，計算齒輪之間的比值，將比值輸入到軟件中，編碼器每旋轉一次就會產生一個脈沖信號，控制系統(tǒng)將采集到的信號轉換為圈速。采集精度可滿足標準1‰圈要求。

2 計算油套管上卸扣扭矩的重要性

如果油套管上卸扣扭矩計算不準確，就會直接影響螺紋的連接質量。扭矩過小會導致螺紋上扣不到位，影響使用性能；而扭矩過大容易造成螺紋表面變形或者出現(xiàn)損傷導致粘扣。粘扣一般是由于螺紋的接觸應力過大而引起的，接觸應力與上扣扭矩及幾何約束過盈有關[5]。幾何約束過盈主要是由于接箍與管子螺紋配合及加工公差、螺紋鍍層厚度等因素的影響。上扣扭矩一般采用Lame公式計算[6]。

式中：T—上扣扭矩；

Pc—接觸應力；

μ—摩擦系數(shù)；

R—螺紋嚙合處的公稱節(jié)圓半徑；

L—螺紋軸向嚙合長度。

油套管接箍與管體之間的螺紋相互作用所產生的摩擦力f公式為[7]

通過公式（1）可以看出，當接觸應力Pc一定時，扭矩越大，螺紋軸向嚙合長度越長，也就是說在高扭矩及低扭矩的情況下，雖然接觸應力相等，但由于高扭矩螺紋行走的位移比低扭矩時要長，因此螺紋之間做的功也比較大。當螺紋軸向嚙合長度一定時，高扭矩螺紋的接觸應力要比低扭矩大，同時螺紋間克服摩擦力做的功也隨著接觸應力的增大而增大?？梢娚峡叟ぞ厥怯绊懧菁y粘扣的重要因素。

3 油套管上卸扣扭矩的影響因素

3.1 傳感器精度

傳感器的精度直接決定著扭矩值的準確性，因此傳感器自身標定十分重要。一體式上卸扣設備的壓力式扭矩傳感器采集的是油壓信號。傳感器的校準過程如圖3所示，首先測量壓力式扭矩傳感器的截面積V，并根據(jù)F=p/V計算出壓力p與力F的關系，得到標準壓力值，然后施加外力，并用精密壓力表檢測取得實際壓力值，將實際壓力值與標準壓力值進行比對，得出傳遞誤差，進而確定力與壓力的準確值。壓力式扭矩傳感器校準結果見表1。

圖3 傳感器校準過程示意圖

3.2 整機精度

上卸扣設備由于機械傳動系統(tǒng)存在磨損，而這一變化過程是漸進的，所以應對設備定期進行扭矩校準，本研究推薦了一種校準方法及系統(tǒng)。整機校準過程如圖4所示，校準系統(tǒng)包括傳感器、油管、電磁閥、壓力表、壓力變送器、數(shù)顯扭矩顯示器。壓力式扭矩傳感器通過油管與壓力表及壓力變送器連接，壓力變送器與數(shù)顯扭矩顯示器通過屏蔽電纜相連，電磁閥與數(shù)顯扭矩顯示器通過屏蔽電纜相連。

表1 壓力式扭矩傳感器校準結果

圖4 整機校準過程示意圖

測量樣管到傳感器的距離，計算出壓力值與扭矩值的關系，根據(jù)公式（3）將扭矩值與壓力變送器電壓V的對應關系K設定到數(shù)顯扭矩顯示器的數(shù)據(jù)采集器中，當有外力施加到壓力式扭矩傳感器時，壓力p通過油管傳到壓力表及壓力變送器，壓力變送器將數(shù)模轉換信號傳到數(shù)顯扭矩顯示器最終將扭矩值顯示出來。當?shù)竭_設定扭矩值時控制單元觸發(fā)電磁閥關閉，油管內壓力保持不變，觀察壓力表示值與扭矩顯示器示值并進行對比修正，當扭矩值出現(xiàn)零點漂移時，需對數(shù)顯扭矩顯示器的零點系數(shù)進行重新校準；個別點出現(xiàn)扭矩偏移時，應重新計算該點的扭矩值，并修改對應系數(shù)，進而得到準確的扭矩值。

式中：A—扭矩對應的V值；

K—單位壓力的V值；

x—p值；

B—數(shù)字信號的零點V值。

3.3 控制精度

雖然傳感器精度已達到1%的要求，但實際上扣扭矩誤差要大于1%甚至更高。按照標準ISO 13679要求，若指定使用高扭矩，則最大扭矩的95%或更高是可接受的。當指定使用低扭矩時，最小扭矩的105%或更低扭矩是允許的[8]。可見，標準對上扣總扭矩提出5%的誤差限制，這是因為在實際操作中扭矩誤差除傳感器誤差外還與控制精度有關。上卸扣擰接機扭矩控制是通過泄壓閥來完成的，泄壓閥未通電時，無電磁力，關閉件在彈簧的作用下壓在閥座上；通電時，電磁線圈產生的電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開。泄壓閥在上卸扣過程中起了很重要的作用，它是連接在進油口與回油口之間，當扭矩到達設定扭矩時，工控機發(fā)出電壓信號觸發(fā)泄壓閥開通，壓力降為零工作停止。

控制精度主要與上扣速度和采樣頻率有關。

（1）上扣速度。API RP 5C1[9]要求上扣速度應小于25 r/min。上扣速度過快會使螺紋間溫度過高，加劇螺紋的連接粘扣失效。試驗結果表明，當接箍表面溫度超過60℃時，螺紋處可能已經發(fā)生粘扣，即使扭矩達到了標準要求，但是余扣數(shù)、緊扣全數(shù)等卻不能滿足標準要求[10-11]，導致螺紋連接及密封性能降低。另外，泄壓閥存在響應延時，上扣速度過快時泄壓閥因來不及響應而導致誤差。因此，上扣速度慢，泄壓閥響應速度快時檢測的扭矩值更為準確。

圖5 油套管上扣對比試驗結果

（2）采樣頻率。采樣頻率（Hz）等于掃描速率乘以采樣點。上扣連接過程中掃描速率為500次/s的信號輸入，每個數(shù)據(jù)采樣點都是五個樣本的平均值。當扭矩變化量大時，掃描速率小會使得數(shù)據(jù)采集不能準確反映實際扭矩的變化，因此泄壓閥得到指令時的電壓信號的誤差也相對較大，最終導致扭矩偏差過大。因此要提高精度就要相應提高采樣頻率。

4 油套管上扣對比試驗

根據(jù)上述辦法，進行油套管上扣對比試驗，試驗結果如圖5所示。試驗時，分別取Φ244mm×10.03 mm 的 N80－1套管、Φ139.7 mm×9.17 mm的N80套管各12根，每6根分為一組進行上扣比對試驗。第一組上扣條件為速度10 r/min，電磁閥響應速度20 ms，采樣頻率600 Hz；第二組上扣條件為上扣速度5 r/min，電磁閥響應速度1 ms，采樣頻率1 000 Hz。扭矩均為最大扭矩值，扭矩參考GB 17745標準。試驗結果表明，第二組上扣扭矩離散型及誤差均優(yōu)于第一組?？梢妰?yōu)化傳感器及控制精度可提高扭矩的準確值。

5 油套管上卸扣設備操作建議

（1）背鉗的選擇及背鉗夾持力。目前上卸扣設備中背鉗每一個顎板固定2個鉗牙。有限元分析結果表明，采用6個鉗牙上扣時管子截面的等效應力均比采用4個鉗牙上扣時低。實際驗證結果表明，采用4個鉗牙對油套管進行上卸扣，發(fā)現(xiàn)接箍在試驗后變形量為0.3～0.5 mm[12]，變形后螺紋接觸應力會増大，影響上扣扭矩以至粘扣。而采用6個及以上鉗牙上扣時，均勻夾持接箍，會有效的降低等效應力，提高了上扣質量。

（2）夾持位置及背鉗夾持力。實驗及有限元模擬發(fā)現(xiàn)，當背鉗夾持工廠端時，螺紋間等效應力及接觸應力值較小，夾持位置偏于現(xiàn)場端時接觸應力變大，這是由于夾持力的存在，影響接箍彈性變形[13]。因此夾持位置應盡量靠近工廠端，同時建議在現(xiàn)場端上扣時放置襯管。由于上卸扣設備主鉗為主動鉗，背鉗為被動鉗，上扣扭矩通過主鉗旋轉來實現(xiàn)，主鉗動力與背鉗夾持力應該相等。如果主鉗動力大而夾持力小就會打滑，不僅會劃傷管體表面，而且扭矩也會不夠；而背鉗持力過大會導致螺紋間的接觸應力増大，嚴重時會導致接箍變形，按照規(guī)定扭矩值上扣時會出現(xiàn)外露扣多的情況，導致螺紋粘扣影響螺紋連接強度。因此，采用背鉗固定夾持力進行夾持時，應采用公式（4）來計算設備的夾持力與上扣扭矩[14]。

式中：T—扭矩；

Q—壓力差；

V—主鉗液壓馬達流量；

η—機械效率；

K—主動輪與從動輪的比值系數(shù)。

（3）水平對中。由于一體式上卸扣設備背鉗隨上扣過程浮動，在夾緊管子時，由于管子的自重會使得背鉗傾斜，增加了力臂長度，影響上扣扭矩。同時由于在采用機械上緊時，螺紋連接尚處于松動狀態(tài)，背鉗傾斜使得內外螺紋不同心形成偏口現(xiàn)象[15]，這時主鉗夾緊上扣會導致接觸應力不均勻、螺紋錯口等現(xiàn)象導致粘扣。因此建議應在背鉗放置水平尺，將背鉗調制在水平位置進行上、卸扣。

6 結束語

油套管上卸扣扭矩準確性主要與設備精度、傳感精度及控制精度有關，通過試驗證明提高精度可使得最終上扣扭矩的誤差及離散型降低。建議上扣時采用6個及以上鉗牙上扣，均勻夾持接箍，并將背鉗調制在水平位置進行上、卸扣，以提高上扣質量。

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Torque Accuracy Influence Factors and Improvement Measures of Casing and Tubing Screw-on-off

WANG Yicen1,2,YUAN Qingying1,2,FU Libing1,2,LIU Xincheng1,2,ZHANG Jun1,3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.BSG Group Liaoyang Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Liaoyang 111000,Liaoning,China）

TE931.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.011

2016-08-23

編輯：羅 剛

王一岑（1986—），男，本科，工程師，目前主要從事無損檢測工作。