N80長圓螺紋套管粘扣行為研究及質(zhì)量控制建議

王 蕊 李東風(fēng) 韓 軍 楊 鵬 韓新利

中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （陜西 西安 710065）

粘扣是最常見的油、套管損傷失效形式，油套管螺紋粘扣不僅導(dǎo)致油套管發(fā)生泄漏、材料腐蝕損壞，還會破壞油套管的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性導(dǎo)致油套管滑脫掉井，造成油田巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。文章[4-7]討論了各種形式油套管粘扣原因，分析了影響粘扣的主要因素，并針對實(shí)際問題提出了實(shí)際解決辦法。因此對油、套管螺紋的抗粘扣能力等標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品性能進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少甚至消除由于螺紋粘扣等產(chǎn)品質(zhì)量問題導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，對油田及生產(chǎn)廠都具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)實(shí)例分析

針對一組（6根）規(guī)格為 Φ139.70×7.72mm N80鋼級LC套管進(jìn)行質(zhì)量分析評價(jià)，在上、卸扣試驗(yàn)過程中，大部分試樣發(fā)生了嚴(yán)重粘扣現(xiàn)象。上、卸扣情況如表1所示，上、卸扣扭矩及上、卸扣速度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。粘扣位置主要集中在外螺紋的第8～21扣及內(nèi)螺紋起始扣。

表1 套管上卸扣試驗(yàn)的基本情況

2 套管粘扣因素分析及討論

2.1 套管粘扣宏觀形貌分析

套管螺紋粘扣主要是指在高接觸壓力、高溫和高速加載的作用下，金屬表面發(fā)生彈性變形、塑性變形、擠壓剝落、犁溝和嵌入金屬的損傷過程。圖1、圖2為上、卸扣試驗(yàn)中發(fā)生粘扣的內(nèi)、外螺紋的宏觀典型形貌。

由圖1、2可以看出，試樣在上、卸扣試驗(yàn)中發(fā)生了嚴(yán)重粘扣現(xiàn)象。外螺紋從第8扣到第21扣，整個(gè)螺紋全部削平（見圖1a、圖1b），內(nèi)螺紋前3扣的齒頂部分被剪切掉，螺紋的齒側(cè)出現(xiàn)深而粗大的劃痕。以上宏觀粘扣形貌表明，螺紋在上、卸扣的高接觸壓力、高溫和高速加載作用下發(fā)生粘著磨損，局部接觸點(diǎn)由于嚴(yán)重的塑性變形而產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象，這些冷焊點(diǎn)在不斷地被剪切后又重新形成并發(fā)生材料的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致螺紋的粘著磨損，其典型特征為在滑動方向產(chǎn)生較深的劃痕，摩擦表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形、擠壓剝落，宏觀表現(xiàn)為嚴(yán)重粘扣現(xiàn)象。

2.2 套管材料性能分析

套管材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能如表2、表3所示。

由表2、3可以看出，套管管體及接箍材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能均符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)對N80鋼級的要求。套管材料金相分析結(jié)果表明，套管管體及接箍材料均為回火索氏體及上貝氏體組織，材料組織與性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

螺紋粘扣是內(nèi)外螺紋粘著磨損的結(jié)果，套管材料的性能決定了套管材料的切削性能即套管螺紋接頭的加工質(zhì)量。通過金屬切削原理可知，金屬在切削過程中，材料塑性大，加工過程中的塑性變形量也大，切削溫度高，容易達(dá)到粘接溫度，塑性過高，易造成切屑纏繞，劃傷已加工的表面。由表2、表3結(jié)果表明，套管材料的含碳量低，室溫下的沖擊功＞40J，材料塑性好，套管抗粘著磨損能力差，導(dǎo)致套管抗粘扣性能差，這是導(dǎo)致套管在上、卸扣過程中發(fā)生粘扣的原因之一。比較表2、表3管體與接箍含碳量可以看出，套管管體材料含碳量低于接箍材料，管體韌性大，加工難度高，因此在上卸扣中外螺紋更容易發(fā)生粘扣而且粘扣情況比內(nèi)螺紋嚴(yán)重。對相同規(guī)格、相同鋼級，螺紋參數(shù)滿足API要求標(biāo)準(zhǔn)要求的其他套管產(chǎn)品采用相同的上卸扣試驗(yàn)方法、上扣扭矩、上卸扣速度及螺紋脂條件，僅管體材料含碳量與文中所述套管含碳量不同 （其含碳量分別為0.25%、0.30%、0.32%及0.38%）的套管產(chǎn)品進(jìn)行上、卸扣試驗(yàn)，提高含碳量后的套管在上卸扣試驗(yàn)過程中均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象。

表2 套管材料的組成成分 /%

表3 套管材料的力學(xué)性能

2.3 套管螺紋參數(shù)

表4、5為1#～6#試樣螺紋參數(shù)的測量結(jié)果。

由表4、5可以看出，試樣螺紋參數(shù)均符合API Spec 5B中的有關(guān)規(guī)定，而且螺紋參數(shù)范圍變化不大。因此，螺紋參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求不是套管上、卸扣粘扣的原因。

2.4 表面處理技術(shù)

為了增強(qiáng)螺紋之間的潤滑性能，在套管生產(chǎn)過程中，套管內(nèi)、外螺紋進(jìn)行了磷化處理，磷化處理提高了粘著磨損的能力，但磷化鍍層質(zhì)量的好壞將直接影響螺紋的粘扣性能。螺紋抗磨損能力取決于螺紋鍍層的類型、附著力及其厚度。在外觀質(zhì)量一般的情況下，隨著鍍層厚度的增加，晶粒尺寸的增大，其磨損抗力也增大；在外觀質(zhì)量較好的情況下，即使鍍層厚度較小，晶粒尺寸小，其磨損抗力仍然很高。試驗(yàn)用套管產(chǎn)品螺紋鍍層表面質(zhì)量不好，磷化膜的顆粒粗大、不致密，附著力差，在上、卸扣過程中均出現(xiàn)不同程度的磷化膜剝落現(xiàn)象。試驗(yàn)后，對粘扣比較嚴(yán)重套管（1#、3#）鍍層厚度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其磷化鍍層厚度僅為8μm、12μm，鍍層厚度不夠且不均勻，導(dǎo)致附著力差。而具有足夠厚度和附著力良好的磷化鍍層，其主要作用是隔絕2個(gè)同種材料的原子直接接觸，使內(nèi)外螺紋不發(fā)生親和型粘扣。同時(shí)磷化膜還可以起到改善潤滑狀態(tài)，減少熱量產(chǎn)生的作用，通常均有良好附著力的鍍層厚度為20μm以上。因此，該試驗(yàn)用套管磷化膜厚度不夠且附著力不強(qiáng)，其磨損抗力較低，導(dǎo)致上卸扣試驗(yàn)過程中螺紋出現(xiàn)大量粘扣，這是套管粘扣的另一重要原因。

表4 外螺紋參數(shù)

表5 內(nèi)螺紋參數(shù)

2.5 套管質(zhì)量改進(jìn)措施及驗(yàn)證

對試驗(yàn)用套管，在套管材料方面，適當(dāng)提高含碳量至0.28%，提高其加工性能。在鍍層方面，控制磷化過程，對磷化工藝、磷化溫度、磷化時(shí)間等進(jìn)行全過程監(jiān)控和管理，確保磷化鍍層均勻致密且達(dá)到優(yōu)化的磷化膜厚度約為20μm，使其磨損抗力、附著力增強(qiáng)，提高對螺紋保護(hù)作用。對改進(jìn)后的套管試樣采用相同的上、卸扣試驗(yàn)條件，進(jìn)行上、卸扣試驗(yàn)，試樣經(jīng)過3次上扣、2次卸扣后均無粘扣現(xiàn)象發(fā)生，1Z試樣卸扣后形貌如圖3所示。

3 API螺紋產(chǎn)品質(zhì)量控制建議

近年來隨著我國油套管國產(chǎn)化能力及生產(chǎn)廠生產(chǎn)水平的不斷提高，國產(chǎn)API螺紋套管很少出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象。但是，個(gè)別生產(chǎn)廠生產(chǎn)能力及加工質(zhì)量不穩(wěn)定會導(dǎo)致粘扣問題，降低產(chǎn)品質(zhì)量，影響套管的整體性能。因此，此類生產(chǎn)廠應(yīng)建立嚴(yán)格的質(zhì)量分析、控制過程?？刂七^程包括，生產(chǎn)過程、銷售過程及使用過程多層次的質(zhì)量控制。

在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)廠首先應(yīng)對產(chǎn)品的理化性能、螺紋參數(shù)指標(biāo)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，對檢測結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量分析，除此之外還應(yīng)對螺紋鍍層質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，確保產(chǎn)品整體質(zhì)量，這是產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。在產(chǎn)品進(jìn)行大批量生產(chǎn)以及銷售之前，需對產(chǎn)品進(jìn)行抽樣送檢，檢驗(yàn)方應(yīng)為具有權(quán)威資質(zhì)的第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，在檢驗(yàn)過程中，主要檢驗(yàn)產(chǎn)品的理化性能、螺紋參數(shù)以及上、卸扣性能及標(biāo)準(zhǔn)要求的其它實(shí)物性能。檢測結(jié)果均應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品進(jìn)行出廠銷售。否則，進(jìn)行質(zhì)量分析，明確導(dǎo)致質(zhì)量問題的因素，解決問題，此過程為銷售過程的質(zhì)量控制。產(chǎn)品到達(dá)使用現(xiàn)場后，使用方根據(jù)現(xiàn)場情況對產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，從而對產(chǎn)品進(jìn)行適用性評價(jià)，對于不滿足使用要求的產(chǎn)品進(jìn)行降級使用或不予使用，完成產(chǎn)品使用過程質(zhì)量控制。在上述逐層質(zhì)量控制下，達(dá)到油、套管的全過程質(zhì)量控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿足使用要求。

4 結(jié) 論

通過對上卸扣過程中發(fā)生粘扣的套管進(jìn)行研究分析，得出試驗(yàn)用套管材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及螺紋參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是套管材料含碳量低，塑性大，是該套管粘扣的主要原因之一。套管材料磷化膜顆粒粗大，厚度較小，附著力低是該套管粘扣的另一主要原因。因此，在保證套管材料理化性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整套管材料的化學(xué)成分，提高套管螺紋連接處表面處理質(zhì)量，確保套管的整體實(shí)物性能，有效解決套管上、卸扣粘扣問題。針對套管質(zhì)量問題，進(jìn)一步提出產(chǎn)品質(zhì)量控制的3個(gè)過程，達(dá)到油、套管的全過程質(zhì)量控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量，滿足使用要求。

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