油、套管螺纹粘扣原因分析

赵海英

(衡阳华菱钢管有限公司 湖南 衡阳 421001)

0 引 言

油、套管的连接螺纹在旋合过程中粘扣是最常见的损伤失效形式之一[1]。油套管抗粘扣性能是考核、衡量油套管产品实物质量水平的重要性能指标，也成为比较各油套管制造厂产品技术质量水平的重要标准。由于粘扣直接影响油、套管管柱结构的几何及密封的完整性，如何提高油、套管螺纹连接的抗粘扣能力一直以来都是螺纹研究的一个难点，国内外很多学者对此也做了大量的研究，主要是通过有限元分析软件和实验相结合的方法对螺纹连接部位的应力分布进行研究[2]，而且取得了明显效果。本文作者在螺纹制造厂现场从螺纹锥度、螺纹齿高、上扣扭矩、钢级、规格、磷化工艺等几个方面做了大量的对比试验，并对试验结果进行了分析，确定了油、套管螺纹粘扣的主要原因，提出并采取了相应的改进措施。

1 试验内容和试验结果

1.1 变锥度螺纹粘扣试验

由于数控机床精度的影响，加工出来的锥度并不等于编程锥度，而且，在螺纹全长范围内，锥度一般越来越大。以外径为Φ177.8 mm的套管加工圆螺纹为例，在最大外螺纹锥度与最小内螺纹锥度配合时，机紧3圈后在管体大端的过盈达到0.324 mm，而小端会产生0.011 mm的间隙，从而造成大端粘扣。同样，在最小外螺纹锥度与最大内螺纹锥度配合时，机紧3圈后在管体大端的过盈为0.024 mm，而小端过盈达到0.324 mm，从而造成小端粘扣。所以，锥度的不匹配，在机紧时会造成螺纹大端和小端过大的干涉，再加上螺纹大端和小端不完整扣造成的应力集中，使螺纹大端和小端更容易发生粘扣。

取Φ339.7 mm×12.19 mm、Φ177.8 mm×9.19 mm和Φ88.9 mm×6.45 mm样管各2根，将螺纹分为3段，采用变锥度加工，管体锥度按小端≥中段≥大端控制，接箍反之。然后进行反复上卸扣试验，上卸扣后螺纹粘扣情况见表1。从表1可见，经过变锥度加工的产品，上卸扣性能明显好于按一个锥度加工的产品。

表1 加工锥度对螺纹粘扣的影响

1.2 偏梯形齿高对螺纹粘扣的影响试验

取Φ339.7 mm×12.19 mm N80和Φ177.8 mm×9.19 mm N80样管各2根，使用前修光面和后修光面2种不同的偏梯螺纹刀片加工，并进行反复上卸扣试验，上卸扣后螺纹粘扣情况见表2。从表2可以看出，管体齿高偏正时上卸扣性能较好。

表2 齿高对螺纹粘扣的影响

1.3 改变起始扣牙型螺纹粘扣试验

螺纹车削过程中，起始扣顶部会形成一个明显的棱边，不同方位，棱边大小不同，如果车完螺纹再对起始扣进行修磨，清除起始扣毛刺，使螺纹旋合过程中更光滑平整，则不易发生擦伤现象，而且还可改变起始扣1～2扣处锥度以及牙型角，将进一步降低几何过盈，从而减少起始扣的应力集中和粘扣倾向。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，对管体小端起始扣进行修扣处理，加工后接头在API推荐扭矩下反复上卸扣，上卸扣后螺纹粘扣情况见表3。表3的试验结果说明，未修扣的常规加工产品在一次上卸扣后即出现了粘扣情况，而经过起始扣修扣处理后，可基本上达到API Spec 5B[3]规定的4次上卸扣的要求。

表3 起始扣牙型对螺纹粘扣的影响

1.4 上扣扭矩对螺纹粘扣的影响试验

取Φ177.8 mm×9.19 mm N80的长圆螺纹套管2根，分别在API推荐最佳扭矩下和最大扭矩下进行上卸扣试验。取Φ177.8 mm×10.36 mm P110偏梯螺纹套管3根，按对应长圆螺纹推荐最佳据矩及最大扭矩的1.25倍进行上卸扣试验。分析管端螺纹形式及上扣扭矩对螺纹粘扣的影响，结果见表4。从表4可见，随着上扣扭矩的增大，即使上卸扣次数在减少，螺纹粘扣现象仍越发严重。因此，从防止粘扣的角度来说，严格控制上扣扭矩非常重要。

表4 上扣扭矩对螺纹粘扣的影响

1.5 管端加工形式对粘扣的影响试验

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，分别在API RP 5C1[4]推荐扭矩下进行上卸扣试验，分析管端形式及上扣扭矩对螺纹粘扣的影响，结果见表5。从表5可以看出，同样在API RP 5C1推荐扭矩下进行反复上卸扣试验，由于不加厚油管上扣扭矩的绝对值较低，加厚油管上扣扭矩的绝对值较高，在相同规格、相同钢级情况下，不加厚油管的抗粘扣能力较好。因此，对加厚油管而言，宜采用API RP 5C1中最小至最佳区间的上扣扭矩，以提高接头的反复上卸扣能力。

表5 管端加工形式对螺纹粘扣的影响

1.6 套管规格对螺纹粘扣的影响试验

因规格不同，API RP 5C1的推荐扭矩也不同。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 要求进行上卸扣，取Φ177.8 mm×9.19 mm N80和Φ139.7 mm×9.17 mm N80圆螺纹套管按API RP 5C1推荐扭矩下进行上卸扣试验，试验结果见表6。从表6可以看出，规格对粘扣带来的影响较小。

表6 钢管规格尺寸对螺纹粘扣的影响

1.7 钢级对螺纹粘扣的影响试验

因钢级越高，API RP 5C1的推荐扭矩越大。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，分别在API推荐扭矩下进行上卸扣试验，分析钢级对螺纹粘扣的影响，结果见表7。从表7可见，J55钢级试样经10次上卸扣不粘扣，达到API RP 5C5[5]的上卸扣评价要求，N80钢级试样在第7次发生粘扣，C95钢级试样在第3次即粘扣，还没有达到API 5B 规定的4次上卸扣要求。上卸扣试验结果说明，相同规格的产品，在同等加工生产和试验条件下，较低钢级比较高钢级的抗粘扣能力强。

表7 钢管钢级对螺纹粘扣的影响

1.8 螺纹表面磷化质量对螺纹粘扣的影响试验

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油管样品，分别按现有锌锰系工艺和不经酸洗的纯锰系磷化工艺对接箍磷化，试验结果表明，磷酸锰涂层的磨损抗力优于磷酸锌涂层，见表8。

表8 磷化工艺对螺纹粘扣的影响

1.9 螺纹脂类型对螺纹粘扣的影响试验

一般来说，螺纹脂起到一定的润滑作用，对减轻粘扣倾向有帮助，质量差的螺纹脂容易引起粘扣。表9列出了Φ88.9 mm×6.45 mm L80钢级不加厚油管在不同螺纹脂下的上卸扣试验结果，可以看出，L80不加厚油管按API RP 5C1推荐最佳扭矩反复上卸扣4次不粘扣，满足API Spec 5B标准。试验结果说明这两种螺纹脂的质量对粘扣的影响差别不大。

表9 螺纹脂对螺纹粘扣的影响

2 试验结果分析

通过上述9种方案的对比试验，可以说明，粘扣是由于螺纹上扣过程中磨损程度加剧导致擦伤、熔合，而磨损程度加剧是由齿面局部接触应力过大造成的，这种接触应力是上扣扭矩及几何约束带来的。

2.1 接头结构的接触应力分布

API Spec 5B标准中规定油、套管连接的螺纹为圆锥形螺纹。这种螺纹设计就决定了在螺纹的起始和消失部分均为不完整螺纹，在完整螺纹长度内，由于啮合时齿侧完全接触，虽然扭矩逐渐增大，但各齿面受力趋于均匀，不会产生局部接触应力过大的现象；而外螺纹和内螺纹在旋合长度的首尾出现不完整螺纹与完整螺纹的配合，产生不完整螺纹的尖锐棱角部分，在完整螺纹的齿侧发生摩擦、挤压、犁划、切削等，故局部接触应力非常高，从而发生旋合全长螺纹上的头尾部粘扣。对API螺纹的有限元应力分析计算也表明，无论是圆螺纹还是偏梯形螺纹，在旋合后，螺纹齿的两个侧面接触应力大小在啮合螺纹上呈“马鞍型”分布，即两头高、中间低。啮合螺纹两端的接触应力是中间段的4倍左右，另外，啮合螺纹小端导向面的接触应力较大，而大端承载面的接触应力也较大，这是由金属材料的泊松效应和锥管螺纹的结构特性引起的。粘扣首先发生在啮合螺纹的两端，一般出现在外螺纹前几扣或Lc以后，或内螺纹的管端前几扣或后几扣。在螺纹加工中，外螺纹和内螺纹的前几扣及后几扣采用变锥度加工，可以改善接头两端应力过高的现象，提高螺纹的抗粘扣性能，本文前面的试验1.1得出了这样的结论，但这种抗粘扣方法可能会影响螺纹的接头强度和密封性能，还可能会引起其它问题，因此，这种抗粘扣方式暂不可取。可以考虑优化螺纹参数的公差配合。

2.2 上扣扭矩对齿面接触应力的影响

根据油、套管拧接的Lame计算公式，

T=Pc(2πRL)μR=2πμR2LPc

(1)

式中，T为上扣扭矩，Nm；μ为摩擦系数；R为螺纹啮合处的公称节圆半径，mm；L为螺纹啮合长度，mm；Pc为接触压力,Pa。

由此公式可知，螺纹在上扣过程中的齿面接触压力直接受过盈上扣扭矩的影响，而且在几何尺寸与螺纹面长度相同的情况下，上扣扭矩越大，齿面接触压力就越高。因此，在工程上有人认为上扣扭矩及过盈量是引起螺纹干涉，发生粘扣的主要原因。

2.3 几何约束对齿面接触应力的影响

螺纹接头拧紧接触压力可应用材料力学中承受内外压力的厚壁筒公式[6]推导出来。

Pc=Eδ(c2-b2)(b2-a2)/2b3(c2-a2)

(2)

式中，Pc为接触压力,Pa；δ为径向过盈量，mm；E为弹性模量，GPa；a为管体内径，mm；c为接箍外径，mm；b为螺纹啮合处的公称节圆半径，mm。

从上述材料力学公式可以得出，锥管螺纹拧接时齿面接触压力大小，直接与径向过盈量δ成正比，说明上扣过程中几何约束越大．过盈量越大，齿面接触压力必然就大，发生粘扣的倾向性也大。油、套管螺纹参数及几何参数的优化及控制可以减小局部过盈量过大的现象。

2.4 表面处理对螺纹抗磨损的影响

为了提高螺纹的抗粘扣性能,在内、外螺纹之间镀一层涂层，可以有效地改善螺纹配合后的受力情况。人们普遍采用镀铜、镀锌、锰盐磷化、锌盐磷化等工艺，其中镀铜的抗粘扣性能最好，缺点是工艺实施过程中废水处理对环境有污染且成本较高。镀锌与镀铜相比，投入成本较低，但抗粘扣性能比镀铜差；磷化成本较低，锰盐磷化的分解温度高，达到3O0 ℃，表面硬度低，维氏硬度为9 HV，是理想的抗粘扣保护膜，而锌盐磷化分解温度为250 ℃，维氏硬度为17 HV，防锈和抗粘扣能力低于锰盐磷化。

3 试验结论及提高抗粘扣性能的措施

3.1 试验结论

通过以上试验及分析结果，油套管规格和螺纹脂对螺纹粘扣的影响不大，而上扣扭矩过大、螺纹参数不合格、螺纹表面处理方式不当、加工精度差等都可能造成螺纹上扣过程中磨损程度加剧，从而引起螺纹擦伤、熔合，导致螺纹粘扣。

3.2 提高抗粘扣性能的措施

通过前述一系列的对比试验与分析，可以从油、套管螺纹参数的优化及控制、磷化和上卸扣操作等方面采取措施来提高油、套管螺纹接头的抗粘扣性能。建议采取以下措施来提高油、套管螺纹的抗粘能力：

1)提高螺纹锥度的加工精度以保持锥度的一致性。

2)去除起始扣毛刺、棱边，改善起始扣锥度，起始扣的毛刺、棱边在拧接时会带入螺纹接触面，从而导致粘扣。

3)保证齿形的完整性，试验前采用三角螺纹刀片，不易装正，切削过程中也容易松动，不容易保证齿形的完整性。通过与刀具厂家沟通，开发了一种四方刀片，2个螺钉夹紧，对保证齿形的完整性具有很好的作用。

4)采用加长加宽卡爪，可减少加工过程中接箍和管体的变形。

5)上扣扭矩对粘扣的影响很大，操作过程中，圆螺纹一般按API RP 5C1推荐的最佳扭矩上扣。但在油田现场，因各种不利因素的影响，当达到最佳扭矩时，可能会有余扣。这时，一般会加大扭矩上至平扣，从而导致过扭矩粘扣，为避免此类情况发生，优化紧密距的配合公差，采用负-负配合，可有效地减少此类粘扣。

6)螺纹参数的优化与控制对提高螺纹抗磨损能力有一定的作用；接箍磷化所用涂层的类型、附着力及厚度对提高螺纹抗磨损的能力也是不可忽视的，试验中采用的锌锰系和纯锰系两种不同类型的磷化液，出现了截然不同的抗粘扣效果。磷化涂层类似液态边界润滑膜，具有一定的润滑作用。经过技术人员的不断试验证明：磷酸锰涂层的磨损抗力优于磷酸锌涂层。但锰系磷化操作过程相对复杂，要求温度控制严格(98 ℃±4 ℃)，低于95 ℃磷化质量不能保证，因此，生产厂需严格按工艺规程操作，以进一步提高油套、管螺纹的抗粘扣能力。