石油套管特殊螺紋加工工藝研究

周新義，苑清英，汪強(qiáng)，楊兵兵，唐家睿，楊曉龍，羅海雷

1寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司；2國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心

1 引言

石油套管螺紋接頭是連接油氣井管柱的重要構(gòu)件，在油氣勘探開發(fā)過程中長期承受拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、彎曲及溫度等復(fù)雜載荷作用，因此油套管螺紋接頭的連接性能和密封性能直接影響管柱的正常生產(chǎn)。油套管螺紋接頭主要有兩類：一類是API螺紋接頭，即美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭(主要指圓螺紋和偏梯形螺紋)；另一類是非API螺紋接頭，也就是特殊螺紋接頭。API螺紋接頭的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、易加工、檢測(cè)方便、互換性好及生產(chǎn)成本低，但由于其設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在難以克服的缺陷，如連接強(qiáng)度低(主要指圓螺紋，其連接強(qiáng)度僅為管體強(qiáng)度的60%)、密封性能差(主要指偏梯形螺紋)、上扣扭矩不易控制、接頭應(yīng)力高以及耐應(yīng)力腐蝕差等問題。

近年來，隨著油氣勘探開發(fā)向“低”、“海”、“深”、“非”等油氣發(fā)展，開采工藝和油套管的服役環(huán)境越來越復(fù)雜，對(duì)油套管螺紋接頭性能要求越來越苛刻，需同時(shí)具備高連接強(qiáng)度、高密封性、高抗扭矩和耐疲勞等特點(diǎn)。因此，使API螺紋接頭的生產(chǎn)應(yīng)用受到很大的限制。

2 石油套管特殊螺紋

為了突破API螺紋接頭應(yīng)用上的缺陷，滿足不同的工況需求，針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，國內(nèi)外石油專用管生產(chǎn)制造企業(yè)紛紛開發(fā)出具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油套管特殊螺紋接頭，螺紋接頭普遍增加密封結(jié)構(gòu)和抗扭矩臺(tái)肩，螺紋結(jié)構(gòu)部分也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，但不同廠家開發(fā)的特殊螺紋接頭在密封結(jié)構(gòu)和螺紋結(jié)構(gòu)上有差異。目前約有130 多種專利產(chǎn)品的特殊螺紋扣型， 且每年都有新扣型問世。V&M、Hydril、Hunting、Tenaris、JFE、住友、寶鋼、天津鋼管、寶雞鋼管及衡鋼等企業(yè)均具有特殊螺紋接頭專利產(chǎn)品，并占全球85%以上的市場(chǎng)。

油套管特殊螺紋接頭的牙型設(shè)計(jì)主要在API螺紋的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，牙型的設(shè)計(jì)從最初API 圓螺紋、偏梯形螺紋到改進(jìn)后的偏梯形螺紋、矩形螺紋以及楔形螺紋，再到倒鉤型特殊螺紋，優(yōu)化改進(jìn)后的螺紋性能具有抗粘扣性能優(yōu)、彎曲性能好及連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

如圖1所示，特殊螺紋牙型結(jié)構(gòu)由齒頂、齒底、導(dǎo)向面和承載面構(gòu)成。承載面與螺紋設(shè)計(jì)母線的夾角為承載角α，其作用是抗彎曲和抗拉伸載荷等；導(dǎo)向面與螺紋設(shè)計(jì)母線的夾角為導(dǎo)向角β，其作用是方便引扣、抗彎曲和抗壓縮等；齒頂和齒底根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求有平行軸向和螺紋母線兩類。從螺紋牙型承載面角度來看，螺紋主要分為負(fù)角度承載面(倒鉤型)、直角度承載面和正角度承載面(見圖2)。表1為國內(nèi)外特殊螺紋產(chǎn)品的承載面角度。

圖1 螺紋牙型結(jié)構(gòu)

(a)正角度承載面螺紋(b)直角度承載面螺紋(c)負(fù)角度承載面螺紋

圖2 油套管特殊螺紋結(jié)構(gòu)

3 油套管特殊螺紋加工工藝

隨著數(shù)控設(shè)備及數(shù)控技術(shù)日趨成熟，螺紋成型刀片的設(shè)計(jì)和制造也越來越先進(jìn)。目前，石油套管螺紋普遍采用高精密數(shù)控車床和成型螺紋刀片進(jìn)行車削，如圖3所示，螺紋車削的進(jìn)刀方式一般分為三種:徑向進(jìn)刀、交替進(jìn)刀和側(cè)向進(jìn)刀(又分為螺紋左側(cè)進(jìn)刀和螺紋右側(cè)進(jìn)刀)。徑向進(jìn)刀時(shí)，三個(gè)刀刃同時(shí)工作，螺紋表面光滑，質(zhì)量好，但車削螺紋至最后幾刀時(shí)車削力相對(duì)較大，不利于刀具的壽命管理。交替式進(jìn)刀和側(cè)向進(jìn)刀均為兩個(gè)刀刃同時(shí)工作，交替式進(jìn)刀受力均勻，刀具磨損更為平均，有利于延長刀具壽命，但其加工過程中容易出現(xiàn)螺紋齒底不光滑，齒底甚至?xí)霈F(xiàn)臺(tái)階。側(cè)向進(jìn)刀方式根據(jù)側(cè)向進(jìn)刀角度其切削刀刃數(shù)量和切削量有所不同，所以合理選用側(cè)向進(jìn)刀角度非常重要。

圖3 螺紋車削方式

加工石油套管螺紋接頭時(shí)無法一次車削成型，一般采用多次循環(huán)切削的方式，螺紋結(jié)構(gòu)及切削過程見圖4。由于特殊螺紋牙型結(jié)構(gòu)形式上的差異，不同的進(jìn)刀方式直接影響刀具壽命和螺紋表面質(zhì)量，因此需根據(jù)不同螺紋牙型結(jié)構(gòu)選用不同的進(jìn)刀方式，以下分析為不同進(jìn)刀方法對(duì)不同承載角螺紋的適用性。

圖4 螺紋車削過程

(1)螺紋徑向進(jìn)刀車削

徑向進(jìn)刀過程中，左右兩側(cè)螺紋刀刃均進(jìn)行車削，一般特殊螺紋多為偏梯形螺紋，因此徑向進(jìn)刀過程中，承載面、導(dǎo)向面和齒底三個(gè)面的刀刃同時(shí)進(jìn)行車削工作，隨著螺紋車削深度的增加切削力增大，容易產(chǎn)生顫紋，所以需合理分配螺紋車削過程中的切削量，但非平均分配，建議前幾刀分配大切削量，后幾刀分配小切削量。采用徑向進(jìn)刀車削不同承載面角度螺紋成型過程見圖5。

圖5 徑向進(jìn)刀車削不同承載角螺紋

分析車削不同承載面角度螺紋過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)徑向進(jìn)刀車削正角度承載面螺紋時(shí)，隨著螺紋車削深度的增加，承載面、導(dǎo)向面和齒底三個(gè)面的刀刃同時(shí)車削，切削面積逐漸增大，切削力隨之增大，刀具剛度不足時(shí)，切削過程容易產(chǎn)生顫紋，嚴(yán)重影響螺紋外觀質(zhì)量；在切削直角度承載面螺紋時(shí)，隨著螺紋切削深度的增加，前后兩次車削始終是齒底和導(dǎo)向面的刀刃進(jìn)行工作，車削完成后的螺紋輪廓完全與設(shè)計(jì)的螺紋牙型吻合；車削負(fù)角度承載面螺紋時(shí)，前后兩次車削過程發(fā)生嚴(yán)重干涉，前一刀車削發(fā)生多切現(xiàn)象，導(dǎo)致螺紋車削完成后的輪廓與設(shè)計(jì)的螺紋牙型不符。因此徑向進(jìn)刀方式在螺紋成型方面和車削力方面適用于直角度承載面螺紋的車削加工，不適用于車削負(fù)角度承載面螺紋。

(2)螺紋交替進(jìn)刀車削

螺紋加工過程中，交替進(jìn)刀車削是左側(cè)和右側(cè)進(jìn)刀反復(fù)車削，每次進(jìn)刀均為兩個(gè)刀刃車削工作，采用交替螺紋車削不同承載面螺紋過程見圖6。

圖6 交替進(jìn)刀車削不同承載角螺紋

如圖6a所示，交替進(jìn)刀方法車削正角度承載面螺紋時(shí)，前后兩次車削為齒底+承載面或者齒底+導(dǎo)向面兩個(gè)面的刀刃進(jìn)行工作，且兩個(gè)刀刃相互交替切削，可以有效降低螺紋成型刀片齒側(cè)的磨損，延長刀具壽命，同時(shí)降低切削過程的切削力，切削完成后的螺紋輪廓與設(shè)計(jì)牙型一致，如圖6b所示，車削直角度承載面螺紋與車削正角度承載面螺紋相似；如圖6c所示，當(dāng)車削負(fù)角度承載面時(shí)，前后兩次車削發(fā)生干涉，出現(xiàn)多切現(xiàn)象，導(dǎo)致螺紋輪廓與設(shè)計(jì)牙型不符。因此交替進(jìn)刀方式適用于車削加工正角度承載面螺紋和直角度承載面螺紋，不適用負(fù)角度承載面螺紋。

(3)螺紋側(cè)向進(jìn)刀車削

側(cè)向進(jìn)刀螺紋加工過程中，進(jìn)行車削工作的刀刃面數(shù)量和側(cè)向進(jìn)刀角度有關(guān)，假設(shè)螺紋承載面角度為α，導(dǎo)向面角度為β(見圖1)，側(cè)向進(jìn)刀角度為γ，每次螺紋切深與軸向偏移量存在以下關(guān)系:沿γ側(cè)向進(jìn)刀車削一次，沿直徑X軸進(jìn)刀ΔX，Z軸退刀或者進(jìn)刀ΔZ=ΔXtanγ，依次進(jìn)行多次螺紋車削循環(huán)，完成螺紋車削。本文采用側(cè)向進(jìn)刀完成不同角度承載面(正角度承載面、直角度承載面和負(fù)角度承載面)的螺紋車削。

采用側(cè)向進(jìn)刀方式車削正角度承載面螺紋時(shí)，如圖7a所示，當(dāng)左側(cè)進(jìn)刀角度沿γ>α?xí)r，螺紋導(dǎo)向面處發(fā)生多切現(xiàn)象，成型刀片車削完成的螺紋輪廓與設(shè)計(jì)不符；如圖7b所示，當(dāng)左側(cè)進(jìn)刀角度沿0<γ≤α?xí)r，齒底、承載面和導(dǎo)向面三個(gè)刀刃同時(shí)車削工作，可實(shí)現(xiàn)正角度承載面螺紋的車削加工；如圖7c所示，當(dāng)右側(cè)進(jìn)刀角度沿0<γ≤β時(shí)，可實(shí)現(xiàn)正角度承載面螺紋的車削加工；如圖7d所示，當(dāng)右側(cè)進(jìn)刀角度沿γ>β時(shí)，螺紋承載面處發(fā)生多切現(xiàn)象，車削出的螺紋輪廓與設(shè)計(jì)不符。

圖7 側(cè)向進(jìn)刀車削正角度承載面螺紋

采用側(cè)向進(jìn)刀方式車削直角度承載面螺紋時(shí)，當(dāng)左側(cè)向進(jìn)刀角度沿γ>α?xí)r，前后兩次車削在導(dǎo)向面處發(fā)生干涉，螺紋承載面發(fā)生多切現(xiàn)象；當(dāng)左側(cè)向進(jìn)刀角度沿0<γ≤α?xí)r，可實(shí)現(xiàn)正角度承載面螺紋的車削加工；當(dāng)右側(cè)向進(jìn)刀角度沿γ>0時(shí)，前后兩次車削在承載面處發(fā)生干涉，螺紋承載面發(fā)生多切現(xiàn)象。

圖8 側(cè)向進(jìn)刀車削直角承載面螺紋

采用側(cè)向進(jìn)刀方式車削負(fù)角度承載面螺紋時(shí)，如圖9a所示，當(dāng)側(cè)向進(jìn)刀角度沿γ>α?xí)r，前后兩次車削在導(dǎo)向面處發(fā)生干涉，螺紋導(dǎo)向面發(fā)生多切現(xiàn)象；如圖9b所示，當(dāng)側(cè)向進(jìn)刀角度沿β≤γ≤α?xí)r，可實(shí)現(xiàn)負(fù)角度承載面螺紋的車削加工，承載面和導(dǎo)向面均為下一刀留有余量，側(cè)向進(jìn)刀角度直接影響螺紋承載面和導(dǎo)向面切削量的分配，因此車削負(fù)角度承載面螺紋時(shí)的側(cè)向進(jìn)刀角度γ=(α+β)/2；如圖9c所示，側(cè)向進(jìn)刀角度沿γ>β時(shí)，前后兩次車削在承載面處發(fā)生干涉，螺紋承載面發(fā)生多切現(xiàn)象。

圖9 側(cè)向進(jìn)刀車削負(fù)角度承載面螺紋

綜上分析，側(cè)向進(jìn)刀方式可實(shí)現(xiàn)不同承載角度的螺紋車削，但需合理選用側(cè)向進(jìn)刀角度；車削正角度承載面螺紋時(shí)，進(jìn)刀角度可選用左側(cè)進(jìn)刀0<γ≤α，右側(cè)進(jìn)刀0<γ≤β；車削直角度承載面螺紋時(shí)，進(jìn)刀角度可選用左側(cè)進(jìn)刀0<γ≤α；車削負(fù)角度承載面螺紋時(shí)可選用左側(cè)進(jìn)刀β≤γ≤α。

4 結(jié)語

油套管特殊螺紋加工過程中，選用不同的進(jìn)刀方式會(huì)產(chǎn)生不同輪廓形狀的螺紋牙型，所以根據(jù)螺紋承載角度合理選用加工工藝非常重要。通過對(duì)不同承載面角度螺紋進(jìn)刀方式進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論和建議。

(1)在車削正角度承載面螺紋時(shí)，推薦選用徑向進(jìn)刀、交替式進(jìn)刀和側(cè)向進(jìn)刀方式。徑向進(jìn)刀應(yīng)合理分配每刀的切削量；側(cè)向進(jìn)刀可選用左側(cè)進(jìn)刀0<γ≤α和右側(cè)進(jìn)刀0<γ≤β，建議左側(cè)進(jìn)刀角度γ=α或右側(cè)進(jìn)刀γ=β，加工過程中導(dǎo)向面或承載面與齒底兩個(gè)刀刃車削工作，降低切削力，延長刀具壽命。

(2)車削直角度承載面螺紋時(shí)可選用徑向進(jìn)刀和交替進(jìn)刀方式，側(cè)向進(jìn)刀方式推薦選用左側(cè)進(jìn)刀0<γ≤α，建議左側(cè)進(jìn)刀角度γ=α，螺紋車削過程僅有導(dǎo)向面和齒底兩個(gè)刀刃面工作。

(3)負(fù)角度承載面螺紋僅可選用側(cè)向進(jìn)刀方式進(jìn)行螺紋車削，側(cè)向進(jìn)刀角度應(yīng)控制在α≤γ≤β，建議選用γ=(α+β)/2，可合理分配承載面與導(dǎo)向面之間切削量，有效解決了負(fù)角度承載面螺紋加工的多切現(xiàn)象。