周新義，苑清英，汪強，楊兵兵，唐家睿，楊曉龍，羅海雷

1寶雞石油鋼管有限責任公司；2國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心

1 引言

石油套管螺紋接頭是連接油氣井管柱的重要構(gòu)件，在油氣勘探開發(fā)過程中長期承受拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、彎曲及溫度等復(fù)雜載荷作用，因此油套管螺紋接頭的連接性能和密封性能直接影響管柱的正常生產(chǎn)。油套管螺紋接頭主要有兩類：一類是API螺紋接頭，即美國石油學會標準規(guī)定的標準螺紋接頭(主要指圓螺紋和偏梯形螺紋)；另一類是非API螺紋接頭，也就是特殊螺紋接頭。API螺紋接頭的優(yōu)點是技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、易加工、檢測方便、互換性好及生產(chǎn)成本低，但由于其設(shè)計及結(jié)構(gòu)特點，存在難以克服的缺陷，如連接強度低(主要指圓螺紋，其連接強度僅為管體強度的60%)、密封性能差(主要指偏梯形螺紋)、上扣扭矩不易控制、接頭應(yīng)力高以及耐應(yīng)力腐蝕差等問題。

近年來，隨著油氣勘探開發(fā)向“低”、“?！?、“深”、“非”等油氣發(fā)展，開采工藝和油套管的服役環(huán)境越來越復(fù)雜，對油套管螺紋接頭性能要求越來越苛刻，需同時具備高連接強度、高密封性、高抗扭矩和耐疲勞等特點。因此，使API螺紋接頭的生產(chǎn)應(yīng)用受到很大的限制。

2 石油套管特殊螺紋

為了突破API螺紋接頭應(yīng)用上的缺陷，滿足不同的工況需求，針對其結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，國內(nèi)外石油專用管生產(chǎn)制造企業(yè)紛紛開發(fā)出具有知識產(chǎn)權(quán)的油套管特殊螺紋接頭，螺紋接頭普遍增加密封結(jié)構(gòu)和抗扭矩臺肩，螺紋結(jié)構(gòu)部分也進行了重新設(shè)計優(yōu)化，但不同廠家開發(fā)的特殊螺紋接頭在密封結(jié)構(gòu)和螺紋結(jié)構(gòu)上有差異。目前約有130 多種專利產(chǎn)品的特殊螺紋扣型， 且每年都有新扣型問世。V&M、Hydril、Hunting、Tenaris、JFE、住友、寶鋼、天津鋼管、寶雞鋼管及衡鋼等企業(yè)均具有特殊螺紋接頭專利產(chǎn)品，并占全球85%以上的市場。

油套管特殊螺紋接頭的牙型設(shè)計主要在API螺紋的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，牙型的設(shè)計從最初API 圓螺紋、偏梯形螺紋到改進后的偏梯形螺紋、矩形螺紋以及楔形螺紋，再到倒鉤型特殊螺紋，優(yōu)化改進后的螺紋性能具有抗粘扣性能優(yōu)、彎曲性能好及連接強度高等特點。

如圖1所示，特殊螺紋牙型結(jié)構(gòu)由齒頂、齒底、導向面和承載面構(gòu)成。承載面與螺紋設(shè)計母線的夾角為承載角α，其作用是抗彎曲和抗拉伸載荷等；導向面與螺紋設(shè)計母線的夾角為導向角β，其作用是方便引扣、抗彎曲和抗壓縮等；齒頂和齒底根據(jù)不同設(shè)計需求有平行軸向和螺紋母線兩類。從螺紋牙型承載面角度來看，螺紋主要分為負角度承載面(倒鉤型)、直角度承載面和正角度承載面(見圖2)。表1為國內(nèi)外特殊螺紋產(chǎn)品的承載面角度。

圖1 螺紋牙型結(jié)構(gòu)

(a)正角度承載面螺紋(b)直角度承載面螺紋(c)負角度承載面螺紋

圖2 油套管特殊螺紋結(jié)構(gòu)

3 油套管特殊螺紋加工工藝

隨著數(shù)控設(shè)備及數(shù)控技術(shù)日趨成熟，螺紋成型刀片的設(shè)計和制造也越來越先進。目前，石油套管螺紋普遍采用高精密數(shù)控車床和成型螺紋刀片進行車削，如圖3所示，螺紋車削的進刀方式一般分為三種:徑向進刀、交替進刀和側(cè)向進刀(又分為螺紋左側(cè)進刀和螺紋右側(cè)進刀)。徑向進刀時，三個刀刃同時工作，螺紋表面光滑，質(zhì)量好，但車削螺紋至最后幾刀時車削力相對較大，不利于刀具的壽命管理。交替式進刀和側(cè)向進刀均為兩個刀刃同時工作，交替式進刀受力均勻，刀具磨損更為平均，有利于延長刀具壽命，但其加工過程中容易出現(xiàn)螺紋齒底不光滑，齒底甚至會出現(xiàn)臺階。側(cè)向進刀方式根據(jù)側(cè)向進刀角度其切削刀刃數(shù)量和切削量有所不同，所以合理選用側(cè)向進刀角度非常重要。

圖3 螺紋車削方式

加工石油套管螺紋接頭時無法一次車削成型，一般采用多次循環(huán)切削的方式，螺紋結(jié)構(gòu)及切削過程見圖4。由于特殊螺紋牙型結(jié)構(gòu)形式上的差異，不同的進刀方式直接影響刀具壽命和螺紋表面質(zhì)量，因此需根據(jù)不同螺紋牙型結(jié)構(gòu)選用不同的進刀方式，以下分析為不同進刀方法對不同承載角螺紋的適用性。

圖4 螺紋車削過程

(1)螺紋徑向進刀車削

徑向進刀過程中，左右兩側(cè)螺紋刀刃均進行車削，一般特殊螺紋多為偏梯形螺紋，因此徑向進刀過程中，承載面、導向面和齒底三個面的刀刃同時進行車削工作，隨著螺紋車削深度的增加切削力增大，容易產(chǎn)生顫紋，所以需合理分配螺紋車削過程中的切削量，但非平均分配，建議前幾刀分配大切削量，后幾刀分配小切削量。采用徑向進刀車削不同承載面角度螺紋成型過程見圖5。

圖5 徑向進刀車削不同承載角螺紋

分析車削不同承載面角度螺紋過程發(fā)現(xiàn)，當徑向進刀車削正角度承載面螺紋時，隨著螺紋車削深度的增加，承載面、導向面和齒底三個面的刀刃同時車削，切削面積逐漸增大，切削力隨之增大，刀具剛度不足時，切削過程容易產(chǎn)生顫紋，嚴重影響螺紋外觀質(zhì)量；在切削直角度承載面螺紋時，隨著螺紋切削深度的增加，前后兩次車削始終是齒底和導向面的刀刃進行工作，車削完成后的螺紋輪廓完全與設(shè)計的螺紋牙型吻合；車削負角度承載面螺紋時，前后兩次車削過程發(fā)生嚴重干涉，前一刀車削發(fā)生多切現(xiàn)象，導致螺紋車削完成后的輪廓與設(shè)計的螺紋牙型不符。因此徑向進刀方式在螺紋成型方面和車削力方面適用于直角度承載面螺紋的車削加工，不適用于車削負角度承載面螺紋。

(2)螺紋交替進刀車削

螺紋加工過程中，交替進刀車削是左側(cè)和右側(cè)進刀反復(fù)車削，每次進刀均為兩個刀刃車削工作，采用交替螺紋車削不同承載面螺紋過程見圖6。

圖6 交替進刀車削不同承載角螺紋

如圖6a所示，交替進刀方法車削正角度承載面螺紋時，前后兩次車削為齒底+承載面或者齒底+導向面兩個面的刀刃進行工作，且兩個刀刃相互交替切削，可以有效降低螺紋成型刀片齒側(cè)的磨損，延長刀具壽命，同時降低切削過程的切削力，切削完成后的螺紋輪廓與設(shè)計牙型一致，如圖6b所示，車削直角度承載面螺紋與車削正角度承載面螺紋相似；如圖6c所示，當車削負角度承載面時，前后兩次車削發(fā)生干涉，出現(xiàn)多切現(xiàn)象，導致螺紋輪廓與設(shè)計牙型不符。因此交替進刀方式適用于車削加工正角度承載面螺紋和直角度承載面螺紋，不適用負角度承載面螺紋。

(3)螺紋側(cè)向進刀車削

側(cè)向進刀螺紋加工過程中，進行車削工作的刀刃面數(shù)量和側(cè)向進刀角度有關(guān)，假設(shè)螺紋承載面角度為α，導向面角度為β(見圖1)，側(cè)向進刀角度為γ，每次螺紋切深與軸向偏移量存在以下關(guān)系:沿γ側(cè)向進刀車削一次，沿直徑X軸進刀ΔX，Z軸退刀或者進刀ΔZ=ΔXtanγ，依次進行多次螺紋車削循環(huán)，完成螺紋車削。本文采用側(cè)向進刀完成不同角度承載面(正角度承載面、直角度承載面和負角度承載面)的螺紋車削。

采用側(cè)向進刀方式車削正角度承載面螺紋時，如圖7a所示，當左側(cè)進刀角度沿γ>α時，螺紋導向面處發(fā)生多切現(xiàn)象，成型刀片車削完成的螺紋輪廓與設(shè)計不符；如圖7b所示，當左側(cè)進刀角度沿0<γ≤α時，齒底、承載面和導向面三個刀刃同時車削工作，可實現(xiàn)正角度承載面螺紋的車削加工；如圖7c所示，當右側(cè)進刀角度沿0<γ≤β時，可實現(xiàn)正角度承載面螺紋的車削加工；如圖7d所示，當右側(cè)進刀角度沿γ>β時，螺紋承載面處發(fā)生多切現(xiàn)象，車削出的螺紋輪廓與設(shè)計不符。

圖7 側(cè)向進刀車削正角度承載面螺紋

采用側(cè)向進刀方式車削直角度承載面螺紋時，當左側(cè)向進刀角度沿γ>α時，前后兩次車削在導向面處發(fā)生干涉，螺紋承載面發(fā)生多切現(xiàn)象；當左側(cè)向進刀角度沿0<γ≤α時，可實現(xiàn)正角度承載面螺紋的車削加工；當右側(cè)向進刀角度沿γ>0時，前后兩次車削在承載面處發(fā)生干涉，螺紋承載面發(fā)生多切現(xiàn)象。

圖8 側(cè)向進刀車削直角承載面螺紋

采用側(cè)向進刀方式車削負角度承載面螺紋時，如圖9a所示，當側(cè)向進刀角度沿γ>α時，前后兩次車削在導向面處發(fā)生干涉，螺紋導向面發(fā)生多切現(xiàn)象；如圖9b所示，當側(cè)向進刀角度沿β≤γ≤α時，可實現(xiàn)負角度承載面螺紋的車削加工，承載面和導向面均為下一刀留有余量，側(cè)向進刀角度直接影響螺紋承載面和導向面切削量的分配，因此車削負角度承載面螺紋時的側(cè)向進刀角度γ=(α+β)/2；如圖9c所示，側(cè)向進刀角度沿γ>β時，前后兩次車削在承載面處發(fā)生干涉，螺紋承載面發(fā)生多切現(xiàn)象。

圖9 側(cè)向進刀車削負角度承載面螺紋

綜上分析，側(cè)向進刀方式可實現(xiàn)不同承載角度的螺紋車削，但需合理選用側(cè)向進刀角度；車削正角度承載面螺紋時，進刀角度可選用左側(cè)進刀0<γ≤α，右側(cè)進刀0<γ≤β；車削直角度承載面螺紋時，進刀角度可選用左側(cè)進刀0<γ≤α；車削負角度承載面螺紋時可選用左側(cè)進刀β≤γ≤α。

4 結(jié)語

油套管特殊螺紋加工過程中，選用不同的進刀方式會產(chǎn)生不同輪廓形狀的螺紋牙型，所以根據(jù)螺紋承載角度合理選用加工工藝非常重要。通過對不同承載面角度螺紋進刀方式進行分析，得出以下結(jié)論和建議。

(1)在車削正角度承載面螺紋時，推薦選用徑向進刀、交替式進刀和側(cè)向進刀方式。徑向進刀應(yīng)合理分配每刀的切削量；側(cè)向進刀可選用左側(cè)進刀0<γ≤α和右側(cè)進刀0<γ≤β，建議左側(cè)進刀角度γ=α或右側(cè)進刀γ=β，加工過程中導向面或承載面與齒底兩個刀刃車削工作，降低切削力，延長刀具壽命。

(2)車削直角度承載面螺紋時可選用徑向進刀和交替進刀方式，側(cè)向進刀方式推薦選用左側(cè)進刀0<γ≤α，建議左側(cè)進刀角度γ=α，螺紋車削過程僅有導向面和齒底兩個刀刃面工作。

(3)負角度承載面螺紋僅可選用側(cè)向進刀方式進行螺紋車削，側(cè)向進刀角度應(yīng)控制在α≤γ≤β，建議選用γ=(α+β)/2，可合理分配承載面與導向面之間切削量，有效解決了負角度承載面螺紋加工的多切現(xiàn)象。