鉆桿接頭抗粘扣性能試驗(yàn)研究

李曉暉，呂拴錄，李艷麗，王克虎，常吉星，滿國(guó)祥，朱立強(qiáng)，鮑華雷

(1.石家莊探礦機(jī)械廠 河北 石家莊 050081；2.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系 北京 102249)

·試驗(yàn)研究·

鉆桿接頭抗粘扣性能試驗(yàn)研究

李曉暉1，呂拴錄2，李艷麗1，王克虎1，常吉星1，滿國(guó)祥1，朱立強(qiáng)1，鮑華雷1

(1.石家莊探礦機(jī)械廠 河北 石家莊 050081；2.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系 北京 102249)

為了掌握不同熱處理方式對(duì)鉆桿螺紋接頭抗粘扣性能的影響，對(duì)采用調(diào)質(zhì)處理、調(diào)質(zhì)+高頻淬火、調(diào)質(zhì)+等離子淬火的鉆桿接頭按照API RP 7G規(guī)定的最大上扣扭矩進(jìn)行了上卸扣試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加高頻淬火和等離子淬火工序并不能改善鉆桿接頭抗粘扣性能。螺紋接頭尺寸精度是影響接頭抗粘扣性能的主要因素之一，對(duì)鉆桿接頭螺紋表面進(jìn)行高頻淬火和等離子淬火雖然可以提高接頭螺紋表面硬度，但卻會(huì)使螺紋接頭產(chǎn)生變形，最終并不能提高鉆桿螺紋接頭抗粘扣性能。

鉆桿接頭；粘扣；上卸扣試驗(yàn)；高頻淬火；等離子淬火

0 引 言

鉆柱是由鉆桿等鉆具通過(guò)螺紋接頭連接而構(gòu)成的。在鉆井過(guò)程中需要多次起下鉆,這就

要求鉆具接頭應(yīng)能反復(fù)上卸扣,并具有良好的抗粘扣性能。我國(guó)油田曾發(fā)生多起鉆具螺紋接頭粘扣事故，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。鉆具螺紋接頭粘扣既與螺紋接頭加工精度、熱處理質(zhì)量和表面處理質(zhì)量等有關(guān)，也與使用操作有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題。一旦發(fā)生鉆具螺紋接頭粘扣事故，生產(chǎn)廠和用戶經(jīng)常發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，但卻很難定論。為了掌握不同熱處理方式對(duì)鉆桿螺紋接頭抗粘扣性能的影響，本文對(duì)采用調(diào)質(zhì)處理、調(diào)質(zhì)+高頻淬火和調(diào)質(zhì)+等離子淬火的鉆桿接頭按照API RP 7G規(guī)定的最大上扣扭矩進(jìn)行了上卸扣試驗(yàn)。

1 上卸扣試驗(yàn)

1.1 上卸扣試驗(yàn)液壓鉗及參數(shù)

采用鉆桿液壓鉗進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。首先用人工將內(nèi)外螺紋接頭水平對(duì)扣和引扣之后，再采用鉆桿液壓大鉗豎直上卸扣。上扣扭矩按照API RP 7G規(guī)定的最大扭矩執(zhí)行，轉(zhuǎn)速采用低檔(見(jiàn)表1)。

1.2 上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 螺紋參數(shù)及尺寸

試樣螺紋參數(shù)及幾何尺寸測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。試樣螺紋參數(shù)及幾何尺寸測(cè)量符合API Spec 5DP和API Spec 7-2。

1.2.2 上卸扣試驗(yàn)

上卸扣試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，上卸扣后的螺紋表面形貌如圖1和圖2所示。

表1 上卸扣試驗(yàn)參數(shù)

表2 試樣螺紋參數(shù)及幾何尺寸測(cè)量結(jié)果

表3 上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

備注：內(nèi)螺紋接頭承載面齒頂凸起實(shí)際是承載面靠近齒頂部位或損傷所致。由于內(nèi)螺紋接頭承載面被遮擋，無(wú)法看到承載面粘扣及損傷全貌。

圖1 2-1號(hào)試樣第4次上卸扣后外螺紋導(dǎo)向面大端第5扣輕微粘扣

圖2 2-1號(hào)試樣螺紋導(dǎo)向面第10次上卸扣后粘扣形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 螺紋接頭粘扣機(jī)理

螺紋接頭尺寸精度是決定螺紋接頭抗粘扣性能的主要因素[2-4]。螺紋接頭粘扣實(shí)際是內(nèi)外螺紋配合面金屬由于摩擦干涉，表面溫度急劇上升達(dá)到了焊接相變溫度，使內(nèi)外螺紋表面發(fā)生粘結(jié)。由于上卸扣過(guò)程中內(nèi)外螺紋有相對(duì)位移，粘扣常伴有金屬遷移。粘扣通常表現(xiàn)為粘著磨損，但是如果有沙粒、鐵屑夾在內(nèi)外螺紋之間，也會(huì)形成磨料磨損[5]。

2.2 高頻淬火對(duì)螺紋接頭抗粘扣性能的影響

3根127.0 mm G105 NC50接頭( 調(diào)質(zhì)+高頻淬火+磷化)試樣中，分別經(jīng)過(guò)4次、5次和9次上卸扣試驗(yàn)之后發(fā)生粘扣。2根127.0 mm G105 NC50接頭(調(diào)質(zhì)+磷化)試樣中，1根試樣經(jīng)過(guò)3次上卸扣之后發(fā)生粘扣，1根試樣經(jīng)過(guò)9次上卸扣試驗(yàn)之后接頭密封臺(tái)肩發(fā)生粘結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加高頻淬火工序之后接頭抗粘扣性能并沒(méi)有提高。這說(shuō)明螺紋表面硬度并非是影響螺紋接頭抗粘扣性能的主要因素。螺紋接頭高頻淬火是一種快速加熱淬火方式，淬火之后沒(méi)有經(jīng)過(guò)及時(shí)回火，必然存在殘余應(yīng)力和變形[6]。這就會(huì)降低螺紋接頭的尺寸精度，不可能提高螺紋接頭的抗粘扣性能。另外，高頻淬火在螺紋表面形成的馬氏體沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分回火，其硬度雖然很高，但韌性不足，這可能會(huì)導(dǎo)致鉆桿接頭發(fā)生早期疲勞失效[7]。

2.3 等離子淬火對(duì)螺紋接頭抗粘扣性能的影響

127.0 mm S135 NC50接頭(調(diào)質(zhì)+修復(fù)+等離子)1根試樣，經(jīng)過(guò)4次上卸扣之后發(fā)生粘扣，經(jīng)過(guò)10次上卸扣之后接頭密封臺(tái)肩發(fā)生粘結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用等離子淬火方式并沒(méi)有解決鉆桿接頭粘扣問(wèn)題。接頭螺紋表面等離子淬火是將等離子弧作為高能量密度的表面熱處理熱源來(lái)實(shí)現(xiàn)淬火加熱的，并在空氣中自然冷卻淬火[8]。在等離子弧加熱過(guò)程中要通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴角度分別對(duì)螺紋導(dǎo)向面和承載面進(jìn)行加熱淬火，對(duì)操作工人技能要求特別高，稍不注意，很容易燒傷螺紋表面(如圖3所示)。由于螺紋承載面和導(dǎo)向面淬火加熱時(shí)間和馬氏體相變時(shí)間不同，經(jīng)過(guò)等離子淬火之后螺紋難免發(fā)生變形，這就會(huì)降低螺紋接頭的尺寸精度，不可能提高螺紋接頭的抗粘扣性能。另外，等離子淬火在螺紋表面形成的馬氏體沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分回火，其硬度雖然提高，但韌性卻很差，這實(shí)際會(huì)降低鉆桿接頭疲勞壽命[9-10]。

圖3 螺紋表面被等離子弧燒傷形貌

3 結(jié)論與建議

1)采用高頻淬火和等離子淬火提高接頭螺紋表面硬度的方式并不能提高鉆桿接頭抗粘扣性能；

2)建議提高鉆桿接頭螺紋加工精度。

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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

李曉暉，男，1972年生，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于河北理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事鉆探設(shè)備及工具研發(fā)和質(zhì)量檢驗(yàn)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 編輯：葛明君)