宋桐亮，胡海波，馬春莉，馮 杰

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

API Spec 5B《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范》（第16 版）相比舊版，增加了螺紋平均頂徑和橢圓度等參數(shù)。自新版標準實行以來，工廠生產(chǎn)的表層石油套管（常用管徑≥244.48 mm）螺紋不合格率顯著升高。主要表現(xiàn)為螺紋平均頂徑和螺紋橢圓度超差，連帶螺紋緊密距等參數(shù)超差。本文通過對表層套管螺紋現(xiàn)場加工進行研究，找出主要影響因素，從原材料外徑尺寸、機床夾具、加工工藝等方面進行分析總結(jié)，提出減少螺紋參數(shù)超差的一些建議，對石油套管生產(chǎn)廠家具有一定借鑒意義。

1 表層套管螺紋參數(shù)不合格主要特征

API Spec 5B《套管、油管和管線管的加工、測量和檢驗規(guī)范》（第16 版）實施之后，增加螺紋平均頂徑和橢圓度的檢測要求，并對緊密距做出新的要求：計算最大緊密距值時把螺紋橢圓度考慮在內(nèi)。

式中 SO——考慮橢圓度的緊密距公差

S——標準規(guī)定緊密距公差值

OV——機床外測得的螺紋橢圓度

Taper——螺紋錐度

標準增加螺紋平均頂徑和橢圓度，給螺紋加工帶來了一定困難，特別是在生產(chǎn)表層套管上體現(xiàn)得很明顯。根據(jù)某螺紋加工廠統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在新標準剛實行的前期，生產(chǎn)表層套管時因螺紋平均頂徑和橢圓度造成的不合格率在10%以上，甚至有的班次達到近30%。

以Φ244.48×8.94 mm J55 LC 規(guī)格套管為例，在機床加工參數(shù)不變的前提下，進行多個批次套光管加工螺紋后，對螺紋進行緊密距變化量、螺紋平均頂徑、螺紋橢圓度等參數(shù)的測量，發(fā)現(xiàn)其中有多個螺紋接頭參數(shù)測量不合格，主要表現(xiàn)在螺紋平均頂徑超出±0.008 in（1 in=25.4 mm）的標準要求，緊密距超出標準要求（表1）。平均頂徑超差的螺紋，螺紋橢圓度雖然不超差但數(shù)值普遍較大，相關(guān)標準要求緊密距為31.755～38.105 mm（不考慮橢圓度）。

表1 螺紋參數(shù)測量數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析可知，螺紋參數(shù)不合格主要表現(xiàn)在螺紋頂徑尺寸偏差，螺紋頂徑變化區(qū)間過大，造成平均頂徑超差，并引起螺紋橢圓度和緊密距的超差。

2 套管螺紋參數(shù)超差主要原因

2.1 原料光管外形尺寸較差

通過檢測螺紋頂徑超差對應(yīng)的光管尺寸，發(fā)現(xiàn)雖然光管的幾何尺寸皆符合API Spec 5CT（第10 版）中8.11 條要求，但圓度較差的光管在螺紋加工后的螺紋平均頂徑、橢圓度和緊密距參數(shù)，明顯比圓度較好的光管差。

對比數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，以Φ244.48 mm 規(guī)格套管為例，光管橢圓度大于1.0 mm 時，在同一車床加工出來的套管螺紋參數(shù)出現(xiàn)了較大偏差，主要體現(xiàn)在螺紋頂徑的最大值和最小值呈現(xiàn)較大的分離現(xiàn)象，或造成平均頂徑超差、橢圓度超差，同時影響緊密距。

同樣，在Φ273.05 mm 規(guī)格套管，光管橢圓度的影響值為1.2 mm，超過這個臨界值螺紋參數(shù)的超差率將大幅增加。

管端直線度對螺紋加工也有一定影響，特別是端部范圍內(nèi)的直線度較大時，對螺紋平均頂徑和橢圓度也有影響，但總體上還是光管橢圓度為主要影響因素。

2.2 機床設(shè)備自身原因

螺紋加工流程為：套光管通過輸送線進入到機床內(nèi)部指定位置后機床夾具夾緊管體→啟動螺紋加工→螺紋加工完畢→機床停止運轉(zhuǎn)→機床夾具松開→套管退出機床。

如果加工過程中出現(xiàn)螺紋頂徑偏差較大和橢圓度超差等問題，說明鋼管在加工過程中產(chǎn)生的變形較大。通過查找分析，加工過程中造成鋼管變形的原因有機床夾具、臺架等設(shè)備或部件，其中最大要因為機床夾具。

對機床夾具進行現(xiàn)場測繪，發(fā)現(xiàn)3 組夾具同心度存在一定的偏差，在夾緊管體過程中3 組夾具對鋼管接觸應(yīng)力不均勻（圖1）。接觸應(yīng)力會造成管體不規(guī)則的彈性變形，加大管體的橢圓度。

圖1 機床夾具夾緊鋼管有限元分析

此外，接觸應(yīng)力的不均勻也會在一定程度上造成鋼管頭部直線度的變化。而直線度的變化會導(dǎo)致鋼管軸心和刀盤軸心的不同心，使得螺紋加工偏離鋼管中心，影響螺紋參數(shù)，加大橢圓度。

機床夾具一般為整體式，與鋼管以面接觸方式硬接觸。夾具的內(nèi)曲面并沒有和管體完全的抱緊，呈現(xiàn)局部區(qū)域接觸。

2.3 機床調(diào)整原因

加工螺紋過程中，管端要探出夾具一定的長度，探出長度對加工后螺紋參數(shù)存在一定的影響。由于套光管管端都會存在一定的彎曲度，管端探出量過大則加工過程中管端存在一定幅度的甩動，加工后螺紋參數(shù)偏差較大甚至超出標準要求。

管端的探出量不同造成夾具夾緊管體的位置不同，在氣動卡盤壓力一樣的前提下，夾緊位置的不同造成管端加工螺紋位置的受力不一致，加工后對螺紋參數(shù)存在一定影響。

臺架的調(diào)整對螺紋加工也有直接影響。更換規(guī)格后，如果臺架調(diào)整過高或過低，臺架托輥中心和機床軸中心偏差較大，管子經(jīng)過機床加緊后則會造成管端變形，加大螺紋尺寸偏差，導(dǎo)致螺紋平均頂徑、緊密距等參數(shù)的超差。

由以上分析可以看出，造成表層套管平均頂徑和緊密距超差的主要因素為套光管尺寸和機床加工，其中機床加工主要有夾具對鋼管夾持不均勻、夾持位置不合理和臺架調(diào)整不合理等。

3 套管螺紋參數(shù)超差改進措施

3.1 嚴格套光管采購標準

套光管幾何尺寸需要滿足API Spec 5CT（第10 版）標準，標準中對管體外徑、直線度、管端直線度等有一個寬泛的要求，按照現(xiàn)場實際加工情況制定新的套光管采購要求，管體外徑按照加工螺紋類型不同分別制定，加工圓螺紋套光管外徑0～+1%D（外徑），加工偏梯形螺紋套光管外徑+1.5mm～+1%D，考慮套光管橢圓度對加工后螺紋參數(shù)存在直接影響，經(jīng)過現(xiàn)場統(tǒng)計和計算，認為把套光管橢圓度控制在1.0～1.2 mm（根據(jù)規(guī)格不同有所調(diào)整）以內(nèi)，可以減少螺紋的橢圓度。

按照新的套光管橢圓度控制標準采購的套光管，入廠加工螺紋后檢測發(fā)現(xiàn)，螺紋參數(shù)的合格率明顯提高。

3.2 更換新型夾具

國內(nèi)機床夾具一般分為三爪和四爪結(jié)構(gòu)，三爪結(jié)構(gòu)一般為自動同心，四爪結(jié)構(gòu)一般為手動找正。加工不同規(guī)格套管需要更換相對應(yīng)規(guī)格的夾具，夾具與管體接觸面一般為相對應(yīng)套光管規(guī)格的圓弧面。螺紋加工過程中夾具夾緊管體表面，因套光管外表面不是一個理想的圓形，夾具受力后在管體表面形成一個不均勻的受力面，致使管體發(fā)生一定的彈性變形，為了降低受力不均勻的現(xiàn)象，需要對夾具圓弧面進行改進。

改進方式為更改夾具接觸方式，通用的夾具是圓弧面接觸，改進后由面接觸改進為多點接觸，一種方案是在每個夾具上面安裝多個彈性較好的合金塊，合金塊表面分布金屬凸起，由凸起與管體接觸，使管體受力更均勻，降低管體彈性變形（圖2）。

圖2 合金塊式夾具

3.3 規(guī)范機床調(diào)整工藝

加工螺紋時管端需要探出夾具一部分，探出距離的多少主要由擋塊進行確定，調(diào)整依據(jù)為：根據(jù)加工螺紋的類型和管徑，LC、SC、BC 三種螺紋要求的螺紋長度不同，探出量要求不同。一般螺紋長度越長，探出量越大，管徑越大，相應(yīng)的鋼管探出距離要適當大些，探出量過短則管端加工位置傳導(dǎo)受力較大產(chǎn)生彈性變形，造成加工后螺紋橢圓度較大、螺紋參數(shù)超差。若探出量較大時，由于管端直線度的問題，也容易增加螺紋出現(xiàn)振紋、黑皮扣的概率。

通過現(xiàn)場測繪臺架托輥中心和機床加工軸中心的差值，總結(jié)不同差值對管形的影響。利用所加工不同規(guī)格套管進行現(xiàn)場調(diào)節(jié)支撐輥高度，并在支撐輥輪與下部起升機構(gòu)中間兩端加裝彈性結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)高度時使支撐輥輪與管體外壁接觸，支撐輥下側(cè)的彈性結(jié)構(gòu)能起到一定的調(diào)節(jié)作用。

通過以上改進，如優(yōu)化原材料采購標準、設(shè)計應(yīng)用新型機床夾瓦、機床工藝調(diào)整等，有效降低了螺紋加工參數(shù)超差的比例。

4 結(jié)束語

表層套管加工螺紋過程中，容易出現(xiàn)螺紋橢圓度較差而造成螺紋參數(shù)的超差，主要表現(xiàn)在平均頂徑、橢圓度和緊密距參數(shù)超差。通過分析影響螺紋平均頂徑和緊密距等參數(shù)的因素，找出套光管幾何尺寸、夾具型式和機床調(diào)整工藝對螺紋參數(shù)的影響。通過減少套光管的橢圓度、采用受力均勻的夾具以及保證夾具的同心度、合理選擇套管光管的探出量、縮小臺架托輥和機床軸中心偏差等方式，提高了表層套管的螺紋加工精度，解決了因平均頂徑、橢圓度和緊密距不合格造成的表層套管成材率低等問題。