SEW油套管API圓螺紋粘扣原因分析

田曉龍

（1.西安石油大學(xué)，西安 710000；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721008）

0 引言

在油田現(xiàn)場作業(yè)中，油套管螺紋粘扣是油套管最常見的失效方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約60%的油套管失效事故直接或間接與螺紋粘扣有關(guān)，如何提高油套管螺紋連接的抗粘扣能力一直是油套管生產(chǎn)廠家和油田用戶的重點(diǎn)關(guān)注問題。最近幾年國內(nèi)有廠家引進(jìn)歐美國家先進(jìn)的石油專用管生產(chǎn)制造技術(shù)，開發(fā)出一種新型石油專用管——SEW油套管（高頻焊熱軋油套管Hot Stretch-reducing Electric Welding casing and tubing），該產(chǎn)品采用“高頻焊管技術(shù)+管材熱機(jī)械軋制技術(shù)”的組合，集成了HFW高頻焊管和無縫管生產(chǎn)工藝的各自優(yōu)點(diǎn)，使用控軋控冷TMCP工藝生產(chǎn)的高精度卷板為原料，通過多道次軋輥擠壓均勻成型和高頻焊接，生產(chǎn)出壁厚均勻、橢圓度好、沖擊韌性高的高頻焊接HFW母管。再采用大功率電感應(yīng)加熱裝置將HFW母管快速、充分加熱到完全奧氏體化后使用24機(jī)架強(qiáng)張力減徑機(jī)連續(xù)軋制到工藝設(shè)定的外徑和壁厚，定尺切斷后再使用大型天然氣熱處理爐進(jìn)行后續(xù)整體熱處理，最終生產(chǎn)出高性能SEW油套管光管。

通過多次加熱和熱機(jī)械軋制，SEW油套管光管的焊縫組織與母材組織得到充分的擴(kuò)散、融合，在微觀組織上達(dá)到基本一致，實(shí)現(xiàn)了“無縫化”，同時(shí)又具備HFW高頻焊管的橢圓度好、尺寸精度高、壁厚均勻、高韌性和抗擠毀性強(qiáng)的特點(diǎn)，是歐美國家目前正在廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)的油套管制造技術(shù)。本文試圖通過對SEW油套管抗粘扣性能的對比試驗(yàn)研究，找出SEW油套管API圓螺紋粘扣現(xiàn)象的機(jī)理和原因，提出改進(jìn)意見，為SEW油套管的加工、使用提供參考。

1 油套管螺紋粘扣機(jī)理

油套管螺紋粘扣是一種發(fā)生在相互接觸金屬表面間的冷焊（Cold welding）現(xiàn)象，即在油套管上卸扣過程中，公母螺紋相互作用的螺紋表面上發(fā)生冷焊，進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)時(shí)冷焊部位發(fā)生撕裂，冷焊點(diǎn)不斷撕裂并重新生成，顯著降低螺紋的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致滑脫掉井和泄漏事故。

2 SEW油套管API圓螺紋粘扣特征

通過對滿足API［1］標(biāo)準(zhǔn)要求的SEW油套管API圓螺紋進(jìn)行大量模擬油田作業(yè)現(xiàn)場的上卸扣試驗(yàn)，觀察套管粘扣失效時(shí)的典型形貌，發(fā)現(xiàn)SEW油套管粘扣現(xiàn)象具有以下特征：

1）油套管公扣外螺紋粘扣70%以上發(fā)生在完整扣的前3扣，少量出現(xiàn)在公扣螺紋的后部（接箍母扣內(nèi)螺紋粘扣位置與其對應(yīng)）。油套管認(rèn)扣前位置示意圖如圖1所示。

2）上卸扣試驗(yàn)中接箍分別夾持在旋緊位置前段、中部、后部，當(dāng)接箍夾持在旋緊位置前段時(shí)發(fā)生螺紋粘扣的幾率明顯大于其它2種夾持方式；當(dāng)接箍夾持在旋緊位置中段、后段時(shí)，發(fā)生螺紋粘扣的幾率基本相同。油套管接箍夾持受力示意圖如圖2所示。

圖1 油套管認(rèn)扣前位置示意圖

3）對套管公扣螺紋與接箍母扣內(nèi)螺紋的螺紋參數(shù)、中徑、錐度等進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)對比匹配，匹配公差帶接近會(huì)明顯降低螺紋粘扣現(xiàn)象，當(dāng)控制到API標(biāo)準(zhǔn)的1/2以內(nèi)時(shí)，抗粘扣性能趨于穩(wěn)定（文獻(xiàn)［2］認(rèn)為應(yīng)將匹配公差帶控制到API標(biāo)準(zhǔn)的1/3以內(nèi)，在SEW油套管上卸扣試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)二者在螺紋抗粘扣性能方面有明顯區(qū)別），同時(shí)在API標(biāo)準(zhǔn)扭矩下進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)時(shí)，在錐度配合上“大腦袋戴小帽子”和“小腦袋戴大帽子”兩種現(xiàn)象對螺紋的抗粘扣性能基本無影響。

4）分別采用API最大扭矩、1.1倍API最大扭矩、1.2倍API最大扭矩和1.3倍API最大扭矩進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，隨扭矩的加大，螺紋粘扣現(xiàn)象明顯增加，在API最大扭矩下無粘扣現(xiàn)象的SEW油套管，在1.3倍API最大扭矩下約有1/3會(huì)發(fā)生粘扣現(xiàn)象。

5）采用API最大扭矩，同等條件下螺紋首扣毛刺在不修磨、風(fēng)磨筆修磨和拋光輪修磨等3種狀態(tài)下，首扣毛刺不修磨時(shí)約1/3會(huì)在第一次上卸扣時(shí)發(fā)生螺紋劃傷或粘扣，風(fēng)磨筆修磨效果次之，拋光輪修磨效果最好，對比實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)螺紋劃傷或粘扣現(xiàn)象。

6）SEW油套管接箍、管體屈服強(qiáng)度匹配試驗(yàn)顯示，提高屈服強(qiáng)度可以有效改善螺紋抗粘扣性能，但當(dāng)二者屈服強(qiáng)度接近時(shí)（相差50 MPa以內(nèi)），螺紋粘扣現(xiàn)象會(huì)明顯增加。

7）接箍內(nèi)螺紋在磷化、鍍銅2種鍍層工藝狀態(tài)下進(jìn)行配比試驗(yàn)，在P110鋼級及以下時(shí)，二者生產(chǎn)工藝控制穩(wěn)定時(shí)均可滿足要求。在Q125鋼級試驗(yàn)中，采用磷化工藝生產(chǎn)的接箍磷化膜脫落明顯，容易發(fā)生粘扣現(xiàn)象。

3 SEW油套管API圓螺紋粘扣原因分析

通過對以上SEW油套管API圓螺紋粘扣特征分析可以看出，螺紋粘扣的本質(zhì)是在于公母螺紋的旋合受力過程中，由于以下原因之一或綜合原因作用造成粘扣。

1）初始接觸的螺紋表面粗糙度高或帶有加工毛刺，在螺紋旋合過程中在起始扣位置附近產(chǎn)生劃傷、粘連等現(xiàn)象，導(dǎo)致粘扣。

2）螺紋公差相差大，在螺紋旋合時(shí)產(chǎn)生較大的變形量導(dǎo)致接觸應(yīng)力增加，當(dāng)接觸應(yīng)力超過管材屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生永久變形或?qū)е侣菁y接觸面摩擦力加大出現(xiàn)粘著磨損，最終導(dǎo)致粘扣。

3）螺紋旋合過程中接箍夾持位置過于靠近旋合端，在夾持力的作用下接箍發(fā)生彈性變形，在旋合過程中產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力并最終造成粘扣［2-3］。

圖2 油套管接箍夾持受力示意圖（箭頭為背鉗夾持力）

4）接箍鍍層工藝控制不穩(wěn)定，鍍膜過薄或過厚，附著力不足易脫落，涂抹螺紋脂后在螺紋旋合過程中不能提供穩(wěn)定的“極壓潤滑膜”導(dǎo)致高壓狀態(tài)下螺紋金屬直接接觸摩擦，發(fā)生粘著磨損和粘扣。

5）選配的接箍、管體屈服強(qiáng)度接近時(shí)，在螺紋旋合過程中彈性變形不足，增大了接觸應(yīng)力，增加了螺紋粘扣機(jī)率（文獻(xiàn)［4］認(rèn)為在接箍、管體的化學(xué)成分接近或相同時(shí)，容易發(fā)生吸附磨損導(dǎo)致粘扣，由于條件限制，筆者未做此對比試驗(yàn)）。

6）在螺紋旋合過程中，由于多種原因?qū)е鲁霈F(xiàn)超出API標(biāo)準(zhǔn)扭矩的實(shí)際扭矩，實(shí)際扭矩過大時(shí)，螺紋接觸部位容易因接觸應(yīng)力過大而導(dǎo)致粘扣［5-6］。

4 生產(chǎn)實(shí)踐中的措施

通過總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有針對性地控制生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，多種SEW油套管一次性通過中國石油天然氣集團(tuán)公司西安管材研究所的第三方評價(jià)，產(chǎn)品抗粘扣、滑脫及密封性能均遠(yuǎn)優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)要求。批量供應(yīng)大慶、吉林、青海、吐哈、長慶、延長等油田的API圓螺紋SEW油套管在現(xiàn)場使用中抗粘扣性能良好，完全能夠滿足不同地區(qū)井況、作業(yè)條件的要求，得到了用戶的好評。

綜合SEW油套管生產(chǎn)現(xiàn)狀和油田現(xiàn)場作業(yè)的應(yīng)用情況，在SEW油套管的生產(chǎn)組織中做好以下幾個(gè)方面，可以較好地保證API圓螺紋SEW油套管的抗粘扣性能。

1）防止過扭矩導(dǎo)致粘扣。由于目前國內(nèi)多數(shù)油田作業(yè)多采用液壓鉗，按旋緊后油套管平扣進(jìn)行現(xiàn)場控制，當(dāng)下井作業(yè)時(shí)因各種原因出現(xiàn)外露扣時(shí)習(xí)慣加大壓力旋緊至平扣。對于采用正-正配合的SEW油套管在旋緊消除外露扣時(shí)容易產(chǎn)生較大的過扭矩導(dǎo)致粘扣，為規(guī)避此現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中在SEW油套管的現(xiàn)場端應(yīng)盡可能采用負(fù)-負(fù)配合。盡量不采用屈服強(qiáng)度、壁厚等已接近API標(biāo)準(zhǔn)下限的原料組織生產(chǎn)，提高產(chǎn)品抗外力變形能力。

2）防止螺紋初始旋合認(rèn)扣劃傷。對螺紋首扣進(jìn)行修磨時(shí)，在提高修磨光潔度的同時(shí)，要避免齒頂毛刺內(nèi)翻現(xiàn)象的發(fā)生，通過規(guī)范拋光輪的打磨方向和角度可以有效控制螺紋修磨質(zhì)量。

3）控制螺紋參數(shù)。螺紋加工公差應(yīng)盡可能控制在API標(biāo)準(zhǔn)的1/2以內(nèi)。

4）控制接箍鍍層工藝。由于大多數(shù)油套管加工廠的鋼管原料為外購產(chǎn)品，控制接箍和光管的強(qiáng)度差存在一定的實(shí)際困難，在生產(chǎn)中通過控制接箍鍍層工藝質(zhì)量可以很好地消除原料強(qiáng)度差方面的不良影響，在API標(biāo)準(zhǔn)Q125及以下鋼級產(chǎn)品生產(chǎn)中，在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，磷化鍍層工藝具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，工廠除一套完善的磷化工藝生產(chǎn)控制體系外，應(yīng)建立簡易、直觀的接箍磷化質(zhì)量評測辦法，從不同鋼級接箍的磷化厚度、外觀顏色、掛灰等方面簡單、快速地對比評價(jià)接箍磷化質(zhì)量，較好的接箍磷化質(zhì)量是提高API圓螺紋SEW油套管抗粘扣性能重要組成部分。

5 結(jié)語

通過合理地調(diào)整SEW套管API圓螺紋的參數(shù)、公差配合，控制螺紋起始扣的修磨質(zhì)量，強(qiáng)化接箍磷化質(zhì)量等措施，可以較好地解決API標(biāo)準(zhǔn)Q125及以下鋼級的SEW油套管API圓螺紋的抗粘扣問題，通過生產(chǎn)實(shí)踐證明以上結(jié)論在實(shí)際生產(chǎn)中是有效、可行的，同時(shí)對同類產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ API SPEC 5CT-2012 套管和油管規(guī)范［S］.

［2］ 張永強(qiáng)，王新虎.油套管螺紋抗粘扣技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（2）：78-81.

［3］ 呂栓錄，劉明球.J55平式油管粘扣原因分析［J］.機(jī)械工程材料，2006（3）:69-71.

［4］ 呂栓錄，駱發(fā)前，趙盈，等.防硫油管粘扣原因分析及實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2009,38（8）:37-40.

［5］ 呂栓錄，康延軍，孫德庫，等.偏梯形螺紋套管緊密距檢驗(yàn)粘扣原因分析及上卸扣試驗(yàn)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（10）：82-85.

［6］ 袁鵬斌，呂栓錄，姜濤，等.進(jìn)口油管脫扣和粘扣原因分析［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（3）：74-77.