钻杆接头抗粘扣性能试验研究

李晓晖，吕拴录，李艳丽，王克虎，常吉星，满国祥，朱立强，鲍华雷

(1.石家庄探矿机械厂 河北 石家庄 050081；2.中国石油大学材料科学与工程系 北京 102249)

·试验研究·

钻杆接头抗粘扣性能试验研究

李晓晖1，吕拴录2，李艳丽1，王克虎1，常吉星1，满国祥1，朱立强1，鲍华雷1

(1.石家庄探矿机械厂 河北 石家庄 050081；2.中国石油大学材料科学与工程系 北京 102249)

为了掌握不同热处理方式对钻杆螺纹接头抗粘扣性能的影响，对采用调质处理、调质+高频淬火、调质+等离子淬火的钻杆接头按照API RP 7G规定的最大上扣扭矩进行了上卸扣试验。试验结果表明，增加高频淬火和等离子淬火工序并不能改善钻杆接头抗粘扣性能。螺纹接头尺寸精度是影响接头抗粘扣性能的主要因素之一，对钻杆接头螺纹表面进行高频淬火和等离子淬火虽然可以提高接头螺纹表面硬度，但却会使螺纹接头产生变形，最终并不能提高钻杆螺纹接头抗粘扣性能。

钻杆接头；粘扣；上卸扣试验；高频淬火；等离子淬火

0 引 言

钻柱是由钻杆等钻具通过螺纹接头连接而构成的。在钻井过程中需要多次起下钻,这就

要求钻具接头应能反复上卸扣,并具有良好的抗粘扣性能。我国油田曾发生多起钻具螺纹接头粘扣事故，造成了较大的经济损失[1]。钻具螺纹接头粘扣既与螺纹接头加工精度、热处理质量和表面处理质量等有关，也与使用操作有关，是一个复杂的系统工程问题。一旦发生钻具螺纹接头粘扣事故，生产厂和用户经常发生争执，但却很难定论。为了掌握不同热处理方式对钻杆螺纹接头抗粘扣性能的影响，本文对采用调质处理、调质+高频淬火和调质+等离子淬火的钻杆接头按照API RP 7G规定的最大上扣扭矩进行了上卸扣试验。

1 上卸扣试验

1.1 上卸扣试验液压钳及参数

采用钻杆液压钳进行上卸扣试验。首先用人工将内外螺纹接头水平对扣和引扣之后，再采用钻杆液压大钳竖直上卸扣。上扣扭矩按照API RP 7G规定的最大扭矩执行，转速采用低档(见表1)。

1.2 上卸扣试验结果

1.2.1 螺纹参数及尺寸

试样螺纹参数及几何尺寸测量结果见表2。试样螺纹参数及几何尺寸测量符合API Spec 5DP和API Spec 7-2。

1.2.2 上卸扣试验

上卸扣试验结果见表3，上卸扣后的螺纹表面形貌如图1和图2所示。

表1 上卸扣试验参数

表2 试样螺纹参数及几何尺寸测量结果

表3 上卸扣试验结果

备注：内螺纹接头承载面齿顶凸起实际是承载面靠近齿顶部位或损伤所致。由于内螺纹接头承载面被遮挡，无法看到承载面粘扣及损伤全貌。

图1 2-1号试样第4次上卸扣后外螺纹导向面大端第5扣轻微粘扣

图2 2-1号试样螺纹导向面第10次上卸扣后粘扣形貌

2 试验结果分析

2.1 螺纹接头粘扣机理

螺纹接头尺寸精度是决定螺纹接头抗粘扣性能的主要因素[2-4]。螺纹接头粘扣实际是内外螺纹配合面金属由于摩擦干涉，表面温度急剧上升达到了焊接相变温度，使内外螺纹表面发生粘结。由于上卸扣过程中内外螺纹有相对位移，粘扣常伴有金属迁移。粘扣通常表现为粘着磨损，但是如果有沙粒、铁屑夹在内外螺纹之间，也会形成磨料磨损[5]。

2.2 高频淬火对螺纹接头抗粘扣性能的影响

3根127.0 mm G105 NC50接头( 调质+高频淬火+磷化)试样中，分别经过4次、5次和9次上卸扣试验之后发生粘扣。2根127.0 mm G105 NC50接头(调质+磷化)试样中，1根试样经过3次上卸扣之后发生粘扣，1根试样经过9次上卸扣试验之后接头密封台肩发生粘结。试验结果表明，增加高频淬火工序之后接头抗粘扣性能并没有提高。这说明螺纹表面硬度并非是影响螺纹接头抗粘扣性能的主要因素。螺纹接头高频淬火是一种快速加热淬火方式，淬火之后没有经过及时回火，必然存在残余应力和变形[6]。这就会降低螺纹接头的尺寸精度，不可能提高螺纹接头的抗粘扣性能。另外，高频淬火在螺纹表面形成的马氏体没有经过充分回火，其硬度虽然很高，但韧性不足，这可能会导致钻杆接头发生早期疲劳失效[7]。

2.3 等离子淬火对螺纹接头抗粘扣性能的影响

127.0 mm S135 NC50接头(调质+修复+等离子)1根试样，经过4次上卸扣之后发生粘扣，经过10次上卸扣之后接头密封台肩发生粘结。试验结果表明，采用等离子淬火方式并没有解决钻杆接头粘扣问题。接头螺纹表面等离子淬火是将等离子弧作为高能量密度的表面热处理热源来实现淬火加热的，并在空气中自然冷却淬火[8]。在等离子弧加热过程中要通过调节喷嘴角度分别对螺纹导向面和承载面进行加热淬火，对操作工人技能要求特别高，稍不注意，很容易烧伤螺纹表面(如图3所示)。由于螺纹承载面和导向面淬火加热时间和马氏体相变时间不同，经过等离子淬火之后螺纹难免发生变形，这就会降低螺纹接头的尺寸精度，不可能提高螺纹接头的抗粘扣性能。另外，等离子淬火在螺纹表面形成的马氏体没有经过充分回火，其硬度虽然提高，但韧性却很差，这实际会降低钻杆接头疲劳寿命[9-10]。

图3 螺纹表面被等离子弧烧伤形貌

3 结论与建议

1)采用高频淬火和等离子淬火提高接头螺纹表面硬度的方式并不能提高钻杆接头抗粘扣性能；

2)建议提高钻杆接头螺纹加工精度。

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Test Investigation on Tool Joint Resisting Galling Capability

LI Xiaohui1, LYU Shuanlu2, LI Yanli1, WANG Kehu1, CHANG Jixing1, MAN Guoxiang1, ZHU Liqiang1, BAO Hualei1

(1.HebeiShitanMachineryMamufactoringCo.Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050081,China;2.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

In order to master the effect of different heat treatment manner on drill pipe tool joint to influence the capability resisting to galling, the make-up and break-out tests were done for the tempering tool joint, tempering+high-frequency induction hardening tool joint, and tempering+plasma arc hardening tool joint in accordance with maximum torque specified in API RP 7G. The test results shows that the thread joint resisting galling capability could not be improved through applying high-frequency induction hardening or plasma arc hardening. The thread dimension precision is considered to be one of most important factor to prevent galling. Although the thread surface hardness could be increased by high-frequency induction hardening or plasma arc hardening, it is accompanied by deformation, so that the resisting galling capability of the tool joint could not be improved.

tool joint; galling; make up and break out test; high-frequency induction hardening; plasma arc hardening

李晓晖，男，1972年生，高级工程师，1995年毕业于河北理工大学机械设计与制造专业，获学士学位，主要从事钻探设备及工具研发和质量检验工作。E-mail: lvshuanlu@163.com

TE921+.2

A

2096-0077(2017)03-0049-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.010

2016-09-28 编辑：葛明君)