趙海英

(衡陽華菱鋼管有限公司 湖南 衡陽 421001)

0 引 言

油、套管的連接螺紋在旋合過程中粘扣是最常見的損傷失效形式之一[1]。油套管抗粘扣性能是考核、衡量油套管產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量水平的重要性能指標(biāo)，也成為比較各油套管制造廠產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于粘扣直接影響油、套管管柱結(jié)構(gòu)的幾何及密封的完整性，如何提高油、套管螺紋連接的抗粘扣能力一直以來都是螺紋研究的一個(gè)難點(diǎn)，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此也做了大量的研究，主要是通過有限元分析軟件和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)螺紋連接部位的應(yīng)力分布進(jìn)行研究[2]，而且取得了明顯效果。本文作者在螺紋制造廠現(xiàn)場(chǎng)從螺紋錐度、螺紋齒高、上扣扭矩、鋼級(jí)、規(guī)格、磷化工藝等幾個(gè)方面做了大量的對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，確定了油、套管螺紋粘扣的主要原因，提出并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)結(jié)果

1.1 變錐度螺紋粘扣試驗(yàn)

由于數(shù)控機(jī)床精度的影響，加工出來的錐度并不等于編程錐度，而且，在螺紋全長范圍內(nèi)，錐度一般越來越大。以外徑為Φ177.8 mm的套管加工圓螺紋為例，在最大外螺紋錐度與最小內(nèi)螺紋錐度配合時(shí)，機(jī)緊3圈后在管體大端的過盈達(dá)到0.324 mm，而小端會(huì)產(chǎn)生0.011 mm的間隙，從而造成大端粘扣。同樣，在最小外螺紋錐度與最大內(nèi)螺紋錐度配合時(shí)，機(jī)緊3圈后在管體大端的過盈為0.024 mm，而小端過盈達(dá)到0.324 mm，從而造成小端粘扣。所以，錐度的不匹配，在機(jī)緊時(shí)會(huì)造成螺紋大端和小端過大的干涉，再加上螺紋大端和小端不完整扣造成的應(yīng)力集中，使螺紋大端和小端更容易發(fā)生粘扣。

取Φ339.7 mm×12.19 mm、Φ177.8 mm×9.19 mm和Φ88.9 mm×6.45 mm樣管各2根，將螺紋分為3段，采用變錐度加工，管體錐度按小端≥中段≥大端控制，接箍反之。然后進(jìn)行反復(fù)上卸扣試驗(yàn)，上卸扣后螺紋粘扣情況見表1。從表1可見，經(jīng)過變錐度加工的產(chǎn)品，上卸扣性能明顯好于按一個(gè)錐度加工的產(chǎn)品。

表1 加工錐度對(duì)螺紋粘扣的影響

1.2 偏梯形齒高對(duì)螺紋粘扣的影響試驗(yàn)

取Φ339.7 mm×12.19 mm N80和Φ177.8 mm×9.19 mm N80樣管各2根，使用前修光面和后修光面2種不同的偏梯螺紋刀片加工，并進(jìn)行反復(fù)上卸扣試驗(yàn)，上卸扣后螺紋粘扣情況見表2。從表2可以看出，管體齒高偏正時(shí)上卸扣性能較好。

表2 齒高對(duì)螺紋粘扣的影響

1.3 改變起始扣牙型螺紋粘扣試驗(yàn)

螺紋車削過程中，起始扣頂部會(huì)形成一個(gè)明顯的棱邊，不同方位，棱邊大小不同，如果車完螺紋再對(duì)起始扣進(jìn)行修磨，清除起始扣毛刺，使螺紋旋合過程中更光滑平整，則不易發(fā)生擦傷現(xiàn)象，而且還可改變起始扣1～2扣處錐度以及牙型角，將進(jìn)一步降低幾何過盈，從而減少起始扣的應(yīng)力集中和粘扣傾向。取Φ60.3 mm×4.83 mm N80 Q和Φ114.3 mm×6.88 mm L80的加厚油管各4根，對(duì)管體小端起始扣進(jìn)行修扣處理，加工后接頭在API推薦扭矩下反復(fù)上卸扣，上卸扣后螺紋粘扣情況見表3。表3的試驗(yàn)結(jié)果說明，未修扣的常規(guī)加工產(chǎn)品在一次上卸扣后即出現(xiàn)了粘扣情況，而經(jīng)過起始扣修扣處理后，可基本上達(dá)到API Spec 5B[3]規(guī)定的4次上卸扣的要求。

表3 起始扣牙型對(duì)螺紋粘扣的影響

1.4 上扣扭矩對(duì)螺紋粘扣的影響試驗(yàn)

取Φ177.8 mm×9.19 mm N80的長圓螺紋套管2根，分別在API推薦最佳扭矩下和最大扭矩下進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。取Φ177.8 mm×10.36 mm P110偏梯螺紋套管3根，按對(duì)應(yīng)長圓螺紋推薦最佳據(jù)矩及最大扭矩的1.25倍進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。分析管端螺紋形式及上扣扭矩對(duì)螺紋粘扣的影響，結(jié)果見表4。從表4可見，隨著上扣扭矩的增大，即使上卸扣次數(shù)在減少，螺紋粘扣現(xiàn)象仍越發(fā)嚴(yán)重。因此，從防止粘扣的角度來說，嚴(yán)格控制上扣扭矩非常重要。

表4 上扣扭矩對(duì)螺紋粘扣的影響

1.5 管端加工形式對(duì)粘扣的影響試驗(yàn)

取Φ88.9 mm×6.45 mm L80和Φ73 mm×5.51 mm N80的加厚、不加厚油管各3根，分別在API RP 5C1[4]推薦扭矩下進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，分析管端形式及上扣扭矩對(duì)螺紋粘扣的影響，結(jié)果見表5。從表5可以看出，同樣在API RP 5C1推薦扭矩下進(jìn)行反復(fù)上卸扣試驗(yàn)，由于不加厚油管上扣扭矩的絕對(duì)值較低，加厚油管上扣扭矩的絕對(duì)值較高，在相同規(guī)格、相同鋼級(jí)情況下，不加厚油管的抗粘扣能力較好。因此，對(duì)加厚油管而言，宜采用API RP 5C1中最小至最佳區(qū)間的上扣扭矩，以提高接頭的反復(fù)上卸扣能力。

表5 管端加工形式對(duì)螺紋粘扣的影響

1.6 套管規(guī)格對(duì)螺紋粘扣的影響試驗(yàn)

因規(guī)格不同，API RP 5C1的推薦扭矩也不同。取Φ339.7 mm×12.19 mm N80、Φ177.8 mm×9.19 mm N80和Φ139.7 mm×9.17 mm N80的偏梯形套管，按API Spec 5B 要求進(jìn)行上卸扣，取Φ177.8 mm×9.19 mm N80和Φ139.7 mm×9.17 mm N80圓螺紋套管按API RP 5C1推薦扭矩下進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可以看出，規(guī)格對(duì)粘扣帶來的影響較小。

表6 鋼管規(guī)格尺寸對(duì)螺紋粘扣的影響

1.7 鋼級(jí)對(duì)螺紋粘扣的影響試驗(yàn)

因鋼級(jí)越高，API RP 5C1的推薦扭矩越大。取Φ73 mm×5.51 mm N80、J55不加厚油管各1根和Φ73 mm×5.51 mm N80、C95的加厚油管各1根，分別在API推薦扭矩下進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，分析鋼級(jí)對(duì)螺紋粘扣的影響，結(jié)果見表7。從表7可見，J55鋼級(jí)試樣經(jīng)10次上卸扣不粘扣，達(dá)到API RP 5C5[5]的上卸扣評(píng)價(jià)要求，N80鋼級(jí)試樣在第7次發(fā)生粘扣，C95鋼級(jí)試樣在第3次即粘扣，還沒有達(dá)到API 5B 規(guī)定的4次上卸扣要求。上卸扣試驗(yàn)結(jié)果說明，相同規(guī)格的產(chǎn)品，在同等加工生產(chǎn)和試驗(yàn)條件下，較低鋼級(jí)比較高鋼級(jí)的抗粘扣能力強(qiáng)。

表7 鋼管鋼級(jí)對(duì)螺紋粘扣的影響

1.8 螺紋表面磷化質(zhì)量對(duì)螺紋粘扣的影響試驗(yàn)

取Φ177.8 mm×9.19 mm N80 LC套管、Φ139.7 mm×9.17 mm N80 BTC套管、Φ73.0 mm×5.51 mm C95 EU油管樣品，分別按現(xiàn)有鋅錳系工藝和不經(jīng)酸洗的純錳系磷化工藝對(duì)接箍磷化，試驗(yàn)結(jié)果表明，磷酸錳涂層的磨損抗力優(yōu)于磷酸鋅涂層，見表8。

表8 磷化工藝對(duì)螺紋粘扣的影響

1.9 螺紋脂類型對(duì)螺紋粘扣的影響試驗(yàn)

一般來說，螺紋脂起到一定的潤滑作用，對(duì)減輕粘扣傾向有幫助，質(zhì)量差的螺紋脂容易引起粘扣。表9列出了Φ88.9 mm×6.45 mm L80鋼級(jí)不加厚油管在不同螺紋脂下的上卸扣試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，L80不加厚油管按API RP 5C1推薦最佳扭矩反復(fù)上卸扣4次不粘扣，滿足API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果說明這兩種螺紋脂的質(zhì)量對(duì)粘扣的影響差別不大。

表9 螺紋脂對(duì)螺紋粘扣的影響

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述9種方案的對(duì)比試驗(yàn)，可以說明，粘扣是由于螺紋上扣過程中磨損程度加劇導(dǎo)致擦傷、熔合，而磨損程度加劇是由齒面局部接觸應(yīng)力過大造成的，這種接觸應(yīng)力是上扣扭矩及幾何約束帶來的。

2.1 接頭結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分布

API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定油、套管連接的螺紋為圓錐形螺紋。這種螺紋設(shè)計(jì)就決定了在螺紋的起始和消失部分均為不完整螺紋，在完整螺紋長度內(nèi)，由于嚙合時(shí)齒側(cè)完全接觸，雖然扭矩逐漸增大，但各齒面受力趨于均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部接觸應(yīng)力過大的現(xiàn)象；而外螺紋和內(nèi)螺紋在旋合長度的首尾出現(xiàn)不完整螺紋與完整螺紋的配合，產(chǎn)生不完整螺紋的尖銳棱角部分，在完整螺紋的齒側(cè)發(fā)生摩擦、擠壓、犁劃、切削等，故局部接觸應(yīng)力非常高，從而發(fā)生旋合全長螺紋上的頭尾部粘扣。對(duì)API螺紋的有限元應(yīng)力分析計(jì)算也表明，無論是圓螺紋還是偏梯形螺紋，在旋合后，螺紋齒的兩個(gè)側(cè)面接觸應(yīng)力大小在嚙合螺紋上呈“馬鞍型”分布，即兩頭高、中間低。嚙合螺紋兩端的接觸應(yīng)力是中間段的4倍左右，另外，嚙合螺紋小端導(dǎo)向面的接觸應(yīng)力較大，而大端承載面的接觸應(yīng)力也較大，這是由金屬材料的泊松效應(yīng)和錐管螺紋的結(jié)構(gòu)特性引起的。粘扣首先發(fā)生在嚙合螺紋的兩端，一般出現(xiàn)在外螺紋前幾扣或Lc以后，或內(nèi)螺紋的管端前幾扣或后幾扣。在螺紋加工中，外螺紋和內(nèi)螺紋的前幾扣及后幾扣采用變錐度加工，可以改善接頭兩端應(yīng)力過高的現(xiàn)象，提高螺紋的抗粘扣性能，本文前面的試驗(yàn)1.1得出了這樣的結(jié)論，但這種抗粘扣方法可能會(huì)影響螺紋的接頭強(qiáng)度和密封性能，還可能會(huì)引起其它問題，因此，這種抗粘扣方式暫不可取?？梢钥紤]優(yōu)化螺紋參數(shù)的公差配合。

2.2 上扣扭矩對(duì)齒面接觸應(yīng)力的影響

根據(jù)油、套管擰接的Lame計(jì)算公式，

T=Pc(2πRL)μR=2πμR2LPc

(1)

式中，T為上扣扭矩，Nm；μ為摩擦系數(shù)；R為螺紋嚙合處的公稱節(jié)圓半徑，mm；L為螺紋嚙合長度，mm；Pc為接觸壓力,Pa。

由此公式可知，螺紋在上扣過程中的齒面接觸壓力直接受過盈上扣扭矩的影響，而且在幾何尺寸與螺紋面長度相同的情況下，上扣扭矩越大，齒面接觸壓力就越高。因此，在工程上有人認(rèn)為上扣扭矩及過盈量是引起螺紋干涉，發(fā)生粘扣的主要原因。

2.3 幾何約束對(duì)齒面接觸應(yīng)力的影響

螺紋接頭擰緊接觸壓力可應(yīng)用材料力學(xué)中承受內(nèi)外壓力的厚壁筒公式[6]推導(dǎo)出來。

Pc=Eδ(c2-b2)(b2-a2)/2b3(c2-a2)

(2)

式中，Pc為接觸壓力,Pa；δ為徑向過盈量，mm；E為彈性模量，GPa；a為管體內(nèi)徑，mm；c為接箍外徑，mm；b為螺紋嚙合處的公稱節(jié)圓半徑，mm。

從上述材料力學(xué)公式可以得出，錐管螺紋擰接時(shí)齒面接觸壓力大小，直接與徑向過盈量δ成正比，說明上扣過程中幾何約束越大．過盈量越大，齒面接觸壓力必然就大，發(fā)生粘扣的傾向性也大。油、套管螺紋參數(shù)及幾何參數(shù)的優(yōu)化及控制可以減小局部過盈量過大的現(xiàn)象。

2.4 表面處理對(duì)螺紋抗磨損的影響

為了提高螺紋的抗粘扣性能,在內(nèi)、外螺紋之間鍍一層涂層，可以有效地改善螺紋配合后的受力情況。人們普遍采用鍍銅、鍍鋅、錳鹽磷化、鋅鹽磷化等工藝，其中鍍銅的抗粘扣性能最好，缺點(diǎn)是工藝實(shí)施過程中廢水處理對(duì)環(huán)境有污染且成本較高。鍍鋅與鍍銅相比，投入成本較低，但抗粘扣性能比鍍銅差；磷化成本較低，錳鹽磷化的分解溫度高，達(dá)到3O0 ℃，表面硬度低，維氏硬度為9 HV，是理想的抗粘扣保護(hù)膜，而鋅鹽磷化分解溫度為250 ℃，維氏硬度為17 HV，防銹和抗粘扣能力低于錳鹽磷化。

3 試驗(yàn)結(jié)論及提高抗粘扣性能的措施

3.1 試驗(yàn)結(jié)論

通過以上試驗(yàn)及分析結(jié)果，油套管規(guī)格和螺紋脂對(duì)螺紋粘扣的影響不大，而上扣扭矩過大、螺紋參數(shù)不合格、螺紋表面處理方式不當(dāng)、加工精度差等都可能造成螺紋上扣過程中磨損程度加劇，從而引起螺紋擦傷、熔合，導(dǎo)致螺紋粘扣。

3.2 提高抗粘扣性能的措施

通過前述一系列的對(duì)比試驗(yàn)與分析，可以從油、套管螺紋參數(shù)的優(yōu)化及控制、磷化和上卸扣操作等方面采取措施來提高油、套管螺紋接頭的抗粘扣性能。建議采取以下措施來提高油、套管螺紋的抗粘能力：

1)提高螺紋錐度的加工精度以保持錐度的一致性。

2)去除起始扣毛刺、棱邊，改善起始扣錐度，起始扣的毛刺、棱邊在擰接時(shí)會(huì)帶入螺紋接觸面，從而導(dǎo)致粘扣。

3)保證齒形的完整性，試驗(yàn)前采用三角螺紋刀片，不易裝正，切削過程中也容易松動(dòng)，不容易保證齒形的完整性。通過與刀具廠家溝通，開發(fā)了一種四方刀片，2個(gè)螺釘夾緊，對(duì)保證齒形的完整性具有很好的作用。

4)采用加長加寬卡爪，可減少加工過程中接箍和管體的變形。

5)上扣扭矩對(duì)粘扣的影響很大，操作過程中，圓螺紋一般按API RP 5C1推薦的最佳扭矩上扣。但在油田現(xiàn)場(chǎng)，因各種不利因素的影響，當(dāng)達(dá)到最佳扭矩時(shí)，可能會(huì)有余扣。這時(shí)，一般會(huì)加大扭矩上至平扣，從而導(dǎo)致過扭矩粘扣，為避免此類情況發(fā)生，優(yōu)化緊密距的配合公差，采用負(fù)-負(fù)配合，可有效地減少此類粘扣。

6)螺紋參數(shù)的優(yōu)化與控制對(duì)提高螺紋抗磨損能力有一定的作用；接箍磷化所用涂層的類型、附著力及厚度對(duì)提高螺紋抗磨損的能力也是不可忽視的，試驗(yàn)中采用的鋅錳系和純錳系兩種不同類型的磷化液，出現(xiàn)了截然不同的抗粘扣效果。磷化涂層類似液態(tài)邊界潤滑膜，具有一定的潤滑作用。經(jīng)過技術(shù)人員的不斷試驗(yàn)證明：磷酸錳涂層的磨損抗力優(yōu)于磷酸鋅涂層。但錳系磷化操作過程相對(duì)復(fù)雜，要求溫度控制嚴(yán)格(98 ℃±4 ℃)，低于95 ℃磷化質(zhì)量不能保證，因此，生產(chǎn)廠需嚴(yán)格按工藝規(guī)程操作，以進(jìn)一步提高油套、管螺紋的抗粘扣能力。