淺析特殊螺紋接頭油套管檢測與質(zhì)量控制*

閆 凱，陳 勇，韓華剛，巨 翔，李 楠

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077; 2.西南油氣田物資分公司質(zhì)量控制中心 四川 成都 610083)

0 引 言

隨著石油天然氣開發(fā)進(jìn)入新階段，油井管柱泄漏問題時(shí)有發(fā)生，常規(guī)API螺紋接頭油套管已經(jīng)無法滿足油田苛刻工況對管柱密封性能和連接強(qiáng)度的要求[1]。與API螺紋接頭油套管相比較，具有特殊螺紋接頭的非API油套管產(chǎn)品氣密封性能及連接性能更佳，近年來獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。特殊螺紋接頭油套管已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的鋼管公司和研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出多種系列、多種規(guī)格的特殊螺紋油套管產(chǎn)品[3-5]。由于各種特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)獨(dú)特，檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)工具特殊，生產(chǎn)制造廠和油田用戶對其質(zhì)量控制難度大。本文通過分析特殊螺紋油套管發(fā)展現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造工藝，提出了特殊螺紋接頭的檢測要點(diǎn)和制造質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 油套管用特殊螺紋接頭產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 特殊螺紋接頭現(xiàn)狀

美國石油學(xué)會(huì)(API)編制了套管和油管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對普通油套管的性能和螺紋形式及檢測要點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)范。為了提高油套管的連接性和密封性，各大企業(yè)研究開發(fā)特殊螺紋油套管，美國Atlas Brandford 和Hydril 兩公司最早于20世紀(jì)60年代研究開發(fā)成功，之后其他公司也開發(fā)出其他品牌型號(hào)的特殊螺紋油套管，如瓦盧瑞克公司的VAM接頭油套管、漢廷公司的Seal-Lock接頭油套管，這些大公司的特殊螺紋油套管占了世界總量的絕大多數(shù)[4-5]。我國在20世紀(jì)90年代后期開始自主研發(fā)螺紋油套管，攀鋼集團(tuán)成都鋼鐵公司首先研發(fā)成功CGT特殊螺紋油套管，之后上海寶鋼研發(fā)的BG系列，天津鋼管公司研發(fā)的TP系列，華菱衡鋼研發(fā)的HSM系列成為目前國內(nèi)市場主流特殊螺紋油套管產(chǎn)品。近年來常寶鋼管、山東墨龍、寶雞專用管、渤海裝備等廠家也相繼開發(fā)出各自的特殊螺紋接頭[6-10]。

1.2 特殊螺紋接頭現(xiàn)狀分析

隨著行業(yè)整體研發(fā)能力和設(shè)備水平的提升，國內(nèi)外廠家已經(jīng)開始大量生產(chǎn)特殊螺紋油套管產(chǎn)品，但是各個(gè)工廠因加工工藝控制和質(zhì)量管理體系運(yùn)行水平的不同，制造出的特殊螺紋油套管產(chǎn)品整體質(zhì)量參差不齊。國外工廠積累了多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)并憑借加工技術(shù)、檢測技術(shù)、人員素質(zhì)、管理理念等多方面的優(yōu)勢，對特殊螺紋油套管生產(chǎn)中的各項(xiàng)參數(shù)控制嚴(yán)格，總體參數(shù)更趨向于理想值，特殊螺紋油套管的實(shí)際使用效果好。國內(nèi)幾大工廠最早也參照國外工廠的管理模式，并引進(jìn)國外先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，具備基本的特殊螺紋油套管加工能力，但大批量生產(chǎn)時(shí)在工藝控制、檢測水平、質(zhì)量管理和操作人員素質(zhì)方面仍存在不足，產(chǎn)品的總體穩(wěn)定性有待提高。

2 典型特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)

典型特殊螺紋接頭可分為直連型和帶接箍型，兩種形式的連接和密封形式類似。目前主流的特殊螺紋接頭包括連接部分、密封部分和抗扭部分，如圖1所示。

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 連接部分

連接部分以螺紋配合型式起到連接管柱作用，添加螺紋脂后也可起到輔助密封作用。連接螺紋多采用API偏梯螺紋型式，如TP-CQ、BGC等特殊接頭，采用常規(guī)刀具和檢測工具，加工方便，成本低。有些連接螺紋采用變齒寬、變螺距螺紋等結(jié)構(gòu)型式，以增加螺紋部分的密封性能。有些連接螺紋采用牙型承載面為負(fù)角度、直角等，提高螺紋的連接性能，該類螺紋需要特殊加工刀具和加工工藝，并且檢測工具均需定制。如日本JFE 公司的BEAR扣型，如圖2所示，螺紋承載面-5 °，導(dǎo)向面25 °，入扣快，承載能力強(qiáng)，抗粘扣和密封效果良好。

圖2 BEAR接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 密封部分

密封部分一般采用金屬-金屬過盈配合形式，起到接頭的主密封作用。金屬-金屬密封面可以為球面、錐面或圓柱面等結(jié)構(gòu)的配合。Seal-Lock APEX接頭在金屬面上加工螺旋狀細(xì)紋，以增強(qiáng)密封效果。ST-L接頭在密封面端部添加Teflon密封圈，進(jìn)行輔助密封，如圖3所示。

圖3 ST-L接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 抗扭部分

抗扭部分一般采用臺(tái)肩型式，主要防止擰接扭矩過大，損傷螺紋和密封面，也起到輔助密封作用。臺(tái)肩有直臺(tái)肩和斜臺(tái)肩兩種類型，斜臺(tái)肩角度范圍在0°～20°之間，如WSP-1T接頭采用15°斜面臺(tái)肩，如圖4所示。

圖4 WSP-1T接頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 特殊螺紋接頭檢測要點(diǎn)

特殊螺紋接頭的檢測是保障成品特殊螺紋油套管具有良好密封性和連接性的重要措施。從特殊螺紋接頭主要部分的結(jié)構(gòu)和作用分析，起連接作用的螺紋參數(shù)、起密封作用的金屬面形狀及尺寸和起抗過扭作用的臺(tái)肩深度和角度是特殊螺紋接頭檢測的主要關(guān)注點(diǎn)。

3.1 連接螺紋檢測

不同的特殊螺紋接頭可能采用不同的連接螺紋形式，因此螺紋檢測的項(xiàng)目可能不同，但一般均包括以下幾項(xiàng)：外觀質(zhì)量、錐度、螺距、齒型高度、齒頂高度、緊密距、螺紋齒頂直徑、螺紋齒頂橢圓度等。螺紋外觀不得有震顫(Chatter)、刀痕(Cut)、刻痕等缺陷。參照新版API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)，緊密距與螺紋齒頂直徑均需測量，緊密距檢測判定中要考慮螺紋齒頂橢圓度的影響。對于特殊牙型的螺紋，還需采用塑模法或者牙型規(guī)等方法檢測螺紋的牙型是否合格。對錐度、螺距、齒高常規(guī)參數(shù)有通用檢測工具，緊密距、螺紋齒頂直徑等則需要根據(jù)特殊螺紋的型式規(guī)格進(jìn)行特殊定制檢測工具[11]。

3.2 密封部分檢測

密封部分因采用金屬面過盈配合形式，因此對密封面的幾何尺寸精度和表面質(zhì)量要求非常高。密封面外觀檢測項(xiàng)目主要有劃傷、凹坑、變形、腐蝕點(diǎn)、粗糙度等，采用目視檢查、標(biāo)準(zhǔn)塊比對等方式進(jìn)行檢測。密封面幾何尺寸檢測項(xiàng)目主要有密封直徑和橢圓度、密封面錐度、密封面長度/深度等。由于該部分多為不規(guī)則形狀，并且各種特殊接頭的密封面尺寸不一，對其檢測需采用特制的檢測工具，參照特殊螺紋接頭規(guī)范對密封面進(jìn)行檢測。圖5為TP-FJ特殊螺紋接頭采用密封面量規(guī)進(jìn)行密封直徑的測量。

圖5 密封直徑檢測

3.3 抗扭臺(tái)肩檢測

抗扭臺(tái)肩的檢測主要涉及抗扭臺(tái)肩的形狀和位置?？古づ_(tái)肩的形狀主要是確定臺(tái)肩角度，一般采用塑性法進(jìn)行檢測?？古づ_(tái)肩的位置在公端主要檢測鼻端長度、厚度，在母端主要檢測臺(tái)肩深度。各工廠根據(jù)特殊螺紋接頭的性質(zhì)也設(shè)計(jì)出用于檢測抗扭臺(tái)肩位置的特殊工具，如球頭深度尺等。

4 特殊螺紋油套管質(zhì)量控制重點(diǎn)

特殊螺紋油套管生產(chǎn)工序主要涉及管體生產(chǎn)、螺紋加工與檢測、表面處理、擰接、特殊性能試驗(yàn)、包裝等，根據(jù)分析特殊螺紋油套管的特點(diǎn)，提出特殊螺紋油套管質(zhì)量控制重點(diǎn)。

4.1 管體生產(chǎn)

特殊螺紋油套管因加工端部特殊螺紋的結(jié)構(gòu)特殊、參數(shù)公差小，對油套管管體的幾何尺寸有更高的要求。因此在管體生產(chǎn)中的軋管、熱處理等工序重要加嚴(yán)控制要求，對管體進(jìn)行熱矯直后要對外徑、壁厚、橢圓度和管端直度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，有內(nèi)縮口要求的特殊螺紋接頭，還要在管端內(nèi)縮口后對縮口內(nèi)徑進(jìn)行檢測，保障幾何尺寸滿足特殊螺紋的加工要求。

4.2 螺紋加工

合格的參數(shù)是保證特殊螺紋接頭發(fā)揮其優(yōu)越性能的保證，因此在制造過程中要重點(diǎn)控制接頭參數(shù)檢測工序。螺紋檢測人員需持有有效資質(zhì)證書，核查檢測用量具需均經(jīng)過校驗(yàn)合格并在有效期內(nèi)，檢測人員需按照接頭檢測規(guī)范正確的使用量具進(jìn)行螺紋參數(shù)檢測，并按照要求進(jìn)行記錄。如有不符合規(guī)范要求，工廠應(yīng)立即停止生產(chǎn)檢驗(yàn)并進(jìn)行整改，經(jīng)審核合格后再進(jìn)行生產(chǎn)檢驗(yàn)。

4.3 接頭表面處理

由于特殊螺紋接頭需在特殊工況下使用，為了充分發(fā)揮其性能，一般均需對內(nèi)外螺紋進(jìn)行表面處理，內(nèi)螺紋進(jìn)行磷化或鍍層，外螺紋采用噴丸進(jìn)行表面硬化。應(yīng)重點(diǎn)控制內(nèi)螺紋磷化效果和外螺紋噴丸效果，如有不符合規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)行整改。

4.4 擰接扭矩控制

擰接扭矩控制是特殊螺紋接頭密封面過盈配合產(chǎn)生合適的接觸壓力從而形成密封的關(guān)鍵，不能過大也不宜過小。各工廠的特殊接頭規(guī)范中對不同規(guī)格和鋼級(jí)的特殊接頭均設(shè)定了擰接扭矩上限、下限和最佳值。應(yīng)對擰接參數(shù)重點(diǎn)檢查，嚴(yán)格控制擰接質(zhì)量，不符合要求的進(jìn)行整改。由于擰接扭矩過大而造成螺紋或密封面嚴(yán)重?fù)p傷的，需及時(shí)做判廢處理。

4.5 特殊性能試驗(yàn)

對新合同生產(chǎn)第一批特殊螺紋接頭需進(jìn)行一些特殊性能試驗(yàn)，如密封性能試驗(yàn)，上卸扣試驗(yàn)等，以驗(yàn)證此批接頭的密封性能和抗粘扣性能等。特殊性能試驗(yàn)應(yīng)送有相關(guān)資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

5 結(jié)束語

特殊螺紋油套管由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，各項(xiàng)參數(shù)性能要求高，質(zhì)量控制難度大。通過分析特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)，指出連接螺紋參數(shù)、密封部分尺寸和抗扭臺(tái)肩形狀及位置是特殊螺紋接頭的檢測重點(diǎn)。特殊螺紋油套管生產(chǎn)制造質(zhì)量控制應(yīng)以管體生產(chǎn)、螺紋加工、接頭表面處理、擰接扭矩控制和特殊性能試驗(yàn)為重點(diǎn)，以提升特殊螺紋油套管制造質(zhì)量控制水平。油田用戶或第三方也應(yīng)該掌握相關(guān)的檢測方法進(jìn)行使用前檢驗(yàn)，從而確保油氣田開發(fā)用管的質(zhì)量性能和使用安全。