鉆桿螺紋加工參數(shù)檢測及對連接強度的影響

譚曉江，尹德森，張川，谷發(fā)瑞

（渤海鉆探管具技術服務分公司萬莊項目部，河北 廊坊 065007）

主題詞：鉆柱；鉆具螺紋；緊密距；錐度；量規(guī)；參數(shù)

鉆桿是依靠螺紋一根一根連接成鉆柱進行鉆進的，為保證鉆柱的正常工作，要對連接的螺紋的設計、制造、維修做出規(guī)定，并根據(jù)規(guī)定進行嚴格的檢查，使螺紋具有一定的連接強度、可靠的密封性、互換性和較長的使用壽命。我國使用的鉆具螺紋標準引用API 標準，API 標準的鉆具螺紋為圓錐管螺紋，是大螺距、大錐度、齒形角為60°的三角形粗牙螺紋。它較圓柱螺紋有以下優(yōu)點：（1）螺距大能快速上卸扣。（2）靠臺肩面密封，只要按一定的力矩上扣就很容易頂緊密封。（3）若有足夠的緊密距。可用軸向位移來補償螺距、齒形半角、錐度及中經(jīng)誤差。（4）易于加工和修復，螺紋的分角線垂直于圓錐軸線，便于加工和測量。

鉆具螺紋的主要參數(shù)有13 個（如圖1），分別為圓錐角φ、傾斜角ψ、錐度K、圓錐螺紋基面、圓錐基面距、中徑、齒形角α、螺紋三角形高t、螺紋齒高、螺距P、螺紋工作齒高t2、螺紋消失端、緊密距。

圖1

在實際螺紋加工過程中，不可能每個幾何參數(shù)都保持公稱尺寸，也就是說，它們總存在一定的誤差，這些誤差對螺紋互換性有不同程度的影響，其中，螺紋中徑、錐度、螺距、齒形角、緊密距對螺紋的旋合性和接觸精度有著直接的關系。在緊密距合格時，如果這些參數(shù)誤差越大，則螺紋接觸精度越差，甚至導致應力集中，直接影響螺紋的連接強度和臺肩的密封性。因此，嚴格控制這些參數(shù)的誤差，才能保證鉆具螺紋的連接質(zhì)量。下面就螺紋中徑、錐度、螺距、牙形角及緊密距這幾個參數(shù)的誤差對螺紋連接質(zhì)量的影響進行分析。

1 螺紋中徑

螺紋中徑指母線位于螺紋齒寬和齒槽寬相等處的假象圓錐體的直徑?；嫣幍闹袕椒Q為基面中徑，是圓錐螺紋參數(shù)的重要參數(shù)之一。在鉆具螺紋中，不同規(guī)格的螺紋，螺紋的基面中徑是不同的。在實際加工鉆具螺紋時，實際中徑與公稱中徑總是存在一定的誤差，這個誤差對螺紋的互換性有一定的影響。當外螺紋的中徑比內(nèi)螺紋中徑大時，螺紋牙形之間產(chǎn)生干涉，就會影響旋合性，從而影響緊密距的大小。與之相反，則使配合過松而影響連接的可靠性和緊密性。因此，對螺紋中徑的誤差必須嚴加控制。目前，對螺紋中徑的測量檢驗一般使用專用量具—螺紋中徑測量儀。實際工作中，不測量中徑，只有當產(chǎn)品質(zhì)量有爭議或其他不可仲裁的質(zhì)量問題時，才對螺紋中徑進行檢驗。

2 螺紋錐度K

螺紋錐度K 是指螺紋錐體上任意兩截面直徑差與兩截面間的距離之比。對于圓錐螺紋來說，一般指中徑錐度K=2tgψ，鉆具螺紋錐度有1：4 和1：6 兩種，其傾斜角分別是7°7′30″和4°45′49″。鉆具螺紋錐度誤差對螺紋連接產(chǎn)生的影響可以通過分析看出來。假設內(nèi)螺紋錐度及其它參數(shù)為標準的，當外螺紋錐度偏大時，外螺紋小端螺紋面與內(nèi)螺紋面接觸面減少，局部接觸應力增大，連接強度降低，承載能力降低。反之，外螺紋錐度過小時，在外螺紋大端螺紋面與內(nèi)螺紋接觸面減少，并且螺紋危險端面在大端，易產(chǎn)生螺紋斷裂事故。同樣，若外螺紋錐度及其他參數(shù)是標準的，而內(nèi)螺紋有誤差同樣產(chǎn)生上述缺陷，所以，對螺紋錐度的偏差做了一定的規(guī)定。在現(xiàn)場實際加工中，錐度的偏差是通過錐度規(guī)來進行定性檢驗和控制的，如圖2 所示。

圖2

錐度規(guī)有外螺紋的環(huán)規(guī)和內(nèi)螺紋的塞規(guī)。用錐度規(guī)檢驗螺紋錐度時，是通過徑向間隙和軸向間隙來控制的，具體允許的偏差如表1 所示。

表1

螺紋錐度也可以用螺紋錐度千分儀來定量測量，實際工作中不常用。

3 螺距

螺距是指相鄰兩齒之間的距離在軸線上的投影長度。螺距誤差是用每25.4 ㎜上的誤差來測量檢驗的。螺距誤差對螺紋連接質(zhì)量的影響情況可以從圖3 看出。

圖3

假設內(nèi)螺紋的基本牙型及其他參數(shù)是標準的，外螺紋的螺距有誤差且外螺紋螺距大于內(nèi)螺紋螺距，如果要旋合內(nèi)外螺紋則內(nèi)外螺紋將產(chǎn)生干涉，偏磨其牙型的側(cè)面，為保證有螺距誤差的螺紋仍可旋入標準螺紋，在制造外螺紋時，實際中徑將減小，這樣將會對螺紋的連接強度及緊密性產(chǎn)生影響，同樣對于內(nèi)螺紋螺距有誤差時，為保證旋合性，應加大實際中徑，同樣會影響螺紋的連接強度和緊密性。在實際加工中，螺距誤差大小一般由機床的精度來保證，所以，當螺距產(chǎn)生誤差過大時，應及時調(diào)修、校對機床的間隙，保證機床精度。

4 牙型角及牙型半角

牙型角是指軸向截面內(nèi)螺紋齒兩側(cè)邊的夾角。在鉆具螺紋加工中，牙型角是靠刀具的刀尖角來保證的，采用手工刃磨的刀具加工螺紋，牙型角將有一定的誤差，螺紋牙型角誤差將影響螺紋的旋入性、接觸面的均勻性及緊密性，從而影響連接強度，如圖4 所示。

圖4

假設內(nèi)螺紋齒形是標準的，外螺紋齒形有誤差，從圖中可以看出，螺紋在整個齒形上接觸面減少，造成齒面局部受力過大，鉆具螺紋磨損不均，局部應力過大容易損壞螺紋。同樣，當內(nèi)螺紋齒形有誤差時，也會產(chǎn)生上述缺陷。

針對牙型角誤差對螺紋的影響，使用手工刃磨的刀具加工螺紋時，要求車工在刃磨刀具的刀尖角時，必須用刀樣板進行透光檢驗，兩主刀刃面須平直，在這里就體現(xiàn)出人員的技能特征要素了，以師代徒的方式在傳統(tǒng)作業(yè)模式中就流傳出“好車工沒有三年的經(jīng)歷是練不出手工藝的”，這其中一些細小的檢測點就在于其中的奧妙。而在實際刃磨刀具時，還要考慮車削過程中的磨損變形，車削60°鉆具螺紋時，車刀刀尖角一般刃磨59°45′，分粗車和精車兩次或多次車制成形。另外，鉆具螺紋的牙型有V—0.040、V—0.050、V0.038 之分，它們的區(qū)別是牙底和牙頂?shù)膶挾炔煌?，所以在刃磨刀具時，除保證刀尖角正確外，刀尖寬度要根據(jù)不同的鉆具螺紋類型刃磨相應的車刀，保證加工出的螺紋牙型正確。

目前，加工螺紋采用了成型螺紋刀片進行螺紋的精加工，螺紋的牙型角通過成型刀的牙型保證，大大提高了螺紋牙型角的精確度，從而確保了螺紋的加工質(zhì)量。

車削加工出的鉆具螺紋牙型用專用量具—單齒卡板定性檢驗，用單齒卡板檢驗時，應達到齒面全部接觸吻合。單齒卡板在外螺紋上軸向竄動不大于0.11 ㎜，與螺紋錐面吻合。單齒卡板在內(nèi)螺紋上卡板斜面與螺紋牙尖母線的平行間隙不大于0.15 ㎜，與牙面吻合，如圖5 所示。

圖5

通過定期定量對車制的螺紋牙型檢測，能夠發(fā)現(xiàn)所用刀片的牙型是否合格，對磨損后的變型能夠及時發(fā)現(xiàn)或更換新刀片。

5 緊密距

在鉆具螺紋中，緊密距是內(nèi)外螺紋之間的軸向相對距離，是一個特定的檢驗參數(shù)，也是一個綜合性強的重要參數(shù)。

鉆具螺紋的緊密距用鉆具螺紋量規(guī)來檢驗。螺紋量規(guī)分塞規(guī)和環(huán)規(guī)，依照制造精度不同分為校對規(guī)和工作規(guī)，工作規(guī)檢驗螺紋，校對規(guī)檢驗工作規(guī)，以降低相對磨損量誤差因素加以保證其精度等級。由于螺紋量規(guī)是對螺紋幾何參數(shù)的一種綜合性檢驗方法，所以只要控制好螺紋緊密距公差，就可以補償其他參數(shù)對螺紋連接因素的影響。鉆具螺紋量規(guī)檢驗螺紋的公差值如表2 所示。

表2

式中，S 為螺紋量規(guī)的配對緊密距；S1為工作塞規(guī)與校對環(huán)規(guī)的配對緊密距；S2為工作環(huán)規(guī)與校對塞規(guī)的互換緊密距。

緊密距的重要性還體現(xiàn)在螺紋連接所產(chǎn)生的密封性能方面，而密封性能直接影響鉆桿所承受的鉆井泵壓，密封性不好將會發(fā)生液體串漏、剌扣，緊密距在螺紋連接后對于所承受的拉、扭受力影響也很大，造成松退、滑脫扣也與之有關。

綜合上述，鉆具螺紋的幾何參數(shù)存在誤差都對螺紋的連接產(chǎn)生不同的影響，所以，在實際加工中，要嚴格控制各項誤差的產(chǎn)生，在用錐度規(guī)、螺紋規(guī)及單齒卡板對螺紋檢驗時，一定要控制在合格的公差內(nèi)，即俗稱的“三合一”檢測法。鉆具螺紋雖然在技術標準和質(zhì)量加工上要求都很高，但只要按照標準參數(shù)加工、檢測，就能制造出合格的鉆具螺紋，保證鉆進正常作業(yè)。

在技術加工方法上也存在誤差，如果機床的安裝精度出現(xiàn)問題，水平、平整、穩(wěn)定度，車制速度的選配，這些都是客觀存在的，如何更好地消除和避開不利而產(chǎn)生有利產(chǎn)品質(zhì)量，則是一種逐步的探索過程。數(shù)控車床的應用，消除人員的頻繁校對，可以對一批量加工產(chǎn)品進行控制，因此，人們也在大力投入精力研究所需自動線加工體系，針對螺紋參數(shù)的質(zhì)量精細檢測還在開發(fā)和應用多種單項檢測儀及其測量技術方法。