表層石油套管螺紋參數(shù)超差分析及改進(jìn)

宋桐亮，胡海波，馬春莉，馮 杰

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

API Spec 5B《套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》（第16 版）相比舊版，增加了螺紋平均頂徑和橢圓度等參數(shù)。自新版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行以來(lái)，工廠生產(chǎn)的表層石油套管（常用管徑≥244.48 mm）螺紋不合格率顯著升高。主要表現(xiàn)為螺紋平均頂徑和螺紋橢圓度超差，連帶螺紋緊密距等參數(shù)超差。本文通過對(duì)表層套管螺紋現(xiàn)場(chǎng)加工進(jìn)行研究，找出主要影響因素，從原材料外徑尺寸、機(jī)床夾具、加工工藝等方面進(jìn)行分析總結(jié)，提出減少螺紋參數(shù)超差的一些建議，對(duì)石油套管生產(chǎn)廠家具有一定借鑒意義。

1 表層套管螺紋參數(shù)不合格主要特征

API Spec 5B《套管、油管和管線管的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》（第16 版）實(shí)施之后，增加螺紋平均頂徑和橢圓度的檢測(cè)要求，并對(duì)緊密距做出新的要求：計(jì)算最大緊密距值時(shí)把螺紋橢圓度考慮在內(nèi)。

式中 SO——考慮橢圓度的緊密距公差

S——標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定緊密距公差值

OV——機(jī)床外測(cè)得的螺紋橢圓度

Taper——螺紋錐度

標(biāo)準(zhǔn)增加螺紋平均頂徑和橢圓度，給螺紋加工帶來(lái)了一定困難，特別是在生產(chǎn)表層套管上體現(xiàn)得很明顯。根據(jù)某螺紋加工廠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在新標(biāo)準(zhǔn)剛實(shí)行的前期，生產(chǎn)表層套管時(shí)因螺紋平均頂徑和橢圓度造成的不合格率在10%以上，甚至有的班次達(dá)到近30%。

以Φ244.48×8.94 mm J55 LC 規(guī)格套管為例，在機(jī)床加工參數(shù)不變的前提下，進(jìn)行多個(gè)批次套光管加工螺紋后，對(duì)螺紋進(jìn)行緊密距變化量、螺紋平均頂徑、螺紋橢圓度等參數(shù)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其中有多個(gè)螺紋接頭參數(shù)測(cè)量不合格，主要表現(xiàn)在螺紋平均頂徑超出±0.008 in（1 in=25.4 mm）的標(biāo)準(zhǔn)要求，緊密距超出標(biāo)準(zhǔn)要求（表1）。平均頂徑超差的螺紋，螺紋橢圓度雖然不超差但數(shù)值普遍較大，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求緊密距為31.755～38.105 mm（不考慮橢圓度）。

表1 螺紋參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析可知，螺紋參數(shù)不合格主要表現(xiàn)在螺紋頂徑尺寸偏差，螺紋頂徑變化區(qū)間過大，造成平均頂徑超差，并引起螺紋橢圓度和緊密距的超差。

2 套管螺紋參數(shù)超差主要原因

2.1 原料光管外形尺寸較差

通過檢測(cè)螺紋頂徑超差對(duì)應(yīng)的光管尺寸，發(fā)現(xiàn)雖然光管的幾何尺寸皆符合API Spec 5CT（第10 版）中8.11 條要求，但圓度較差的光管在螺紋加工后的螺紋平均頂徑、橢圓度和緊密距參數(shù)，明顯比圓度較好的光管差。

對(duì)比數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，以Φ244.48 mm 規(guī)格套管為例，光管橢圓度大于1.0 mm 時(shí)，在同一車床加工出來(lái)的套管螺紋參數(shù)出現(xiàn)了較大偏差，主要體現(xiàn)在螺紋頂徑的最大值和最小值呈現(xiàn)較大的分離現(xiàn)象，或造成平均頂徑超差、橢圓度超差，同時(shí)影響緊密距。

同樣，在Φ273.05 mm 規(guī)格套管，光管橢圓度的影響值為1.2 mm，超過這個(gè)臨界值螺紋參數(shù)的超差率將大幅增加。

管端直線度對(duì)螺紋加工也有一定影響，特別是端部范圍內(nèi)的直線度較大時(shí)，對(duì)螺紋平均頂徑和橢圓度也有影響，但總體上還是光管橢圓度為主要影響因素。

2.2 機(jī)床設(shè)備自身原因

螺紋加工流程為：套光管通過輸送線進(jìn)入到機(jī)床內(nèi)部指定位置后機(jī)床夾具夾緊管體→啟動(dòng)螺紋加工→螺紋加工完畢→機(jī)床停止運(yùn)轉(zhuǎn)→機(jī)床夾具松開→套管退出機(jī)床。

如果加工過程中出現(xiàn)螺紋頂徑偏差較大和橢圓度超差等問題，說明鋼管在加工過程中產(chǎn)生的變形較大。通過查找分析，加工過程中造成鋼管變形的原因有機(jī)床夾具、臺(tái)架等設(shè)備或部件，其中最大要因?yàn)闄C(jī)床夾具。

對(duì)機(jī)床夾具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)3 組夾具同心度存在一定的偏差，在夾緊管體過程中3 組夾具對(duì)鋼管接觸應(yīng)力不均勻（圖1）。接觸應(yīng)力會(huì)造成管體不規(guī)則的彈性變形，加大管體的橢圓度。

圖1 機(jī)床夾具夾緊鋼管有限元分析

此外，接觸應(yīng)力的不均勻也會(huì)在一定程度上造成鋼管頭部直線度的變化。而直線度的變化會(huì)導(dǎo)致鋼管軸心和刀盤軸心的不同心，使得螺紋加工偏離鋼管中心，影響螺紋參數(shù)，加大橢圓度。

機(jī)床夾具一般為整體式，與鋼管以面接觸方式硬接觸。夾具的內(nèi)曲面并沒有和管體完全的抱緊，呈現(xiàn)局部區(qū)域接觸。

2.3 機(jī)床調(diào)整原因

加工螺紋過程中，管端要探出夾具一定的長(zhǎng)度，探出長(zhǎng)度對(duì)加工后螺紋參數(shù)存在一定的影響。由于套光管管端都會(huì)存在一定的彎曲度，管端探出量過大則加工過程中管端存在一定幅度的甩動(dòng)，加工后螺紋參數(shù)偏差較大甚至超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

管端的探出量不同造成夾具夾緊管體的位置不同，在氣動(dòng)卡盤壓力一樣的前提下，夾緊位置的不同造成管端加工螺紋位置的受力不一致，加工后對(duì)螺紋參數(shù)存在一定影響。

臺(tái)架的調(diào)整對(duì)螺紋加工也有直接影響。更換規(guī)格后，如果臺(tái)架調(diào)整過高或過低，臺(tái)架托輥中心和機(jī)床軸中心偏差較大，管子經(jīng)過機(jī)床加緊后則會(huì)造成管端變形，加大螺紋尺寸偏差，導(dǎo)致螺紋平均頂徑、緊密距等參數(shù)的超差。

由以上分析可以看出，造成表層套管平均頂徑和緊密距超差的主要因素為套光管尺寸和機(jī)床加工，其中機(jī)床加工主要有夾具對(duì)鋼管夾持不均勻、夾持位置不合理和臺(tái)架調(diào)整不合理等。

3 套管螺紋參數(shù)超差改進(jìn)措施

3.1 嚴(yán)格套光管采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

套光管幾何尺寸需要滿足API Spec 5CT（第10 版）標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)管體外徑、直線度、管端直線度等有一個(gè)寬泛的要求，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工情況制定新的套光管采購(gòu)要求，管體外徑按照加工螺紋類型不同分別制定，加工圓螺紋套光管外徑0～+1%D（外徑），加工偏梯形螺紋套光管外徑+1.5mm～+1%D，考慮套光管橢圓度對(duì)加工后螺紋參數(shù)存在直接影響，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，認(rèn)為把套光管橢圓度控制在1.0～1.2 mm（根據(jù)規(guī)格不同有所調(diào)整）以內(nèi)，可以減少螺紋的橢圓度。

按照新的套光管橢圓度控制標(biāo)準(zhǔn)采購(gòu)的套光管，入廠加工螺紋后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，螺紋參數(shù)的合格率明顯提高。

3.2 更換新型夾具

國(guó)內(nèi)機(jī)床夾具一般分為三爪和四爪結(jié)構(gòu)，三爪結(jié)構(gòu)一般為自動(dòng)同心，四爪結(jié)構(gòu)一般為手動(dòng)找正。加工不同規(guī)格套管需要更換相對(duì)應(yīng)規(guī)格的夾具，夾具與管體接觸面一般為相對(duì)應(yīng)套光管規(guī)格的圓弧面。螺紋加工過程中夾具夾緊管體表面，因套光管外表面不是一個(gè)理想的圓形，夾具受力后在管體表面形成一個(gè)不均勻的受力面，致使管體發(fā)生一定的彈性變形，為了降低受力不均勻的現(xiàn)象，需要對(duì)夾具圓弧面進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)方式為更改夾具接觸方式，通用的夾具是圓弧面接觸，改進(jìn)后由面接觸改進(jìn)為多點(diǎn)接觸，一種方案是在每個(gè)夾具上面安裝多個(gè)彈性較好的合金塊，合金塊表面分布金屬凸起，由凸起與管體接觸，使管體受力更均勻，降低管體彈性變形（圖2）。

圖2 合金塊式夾具

3.3 規(guī)范機(jī)床調(diào)整工藝

加工螺紋時(shí)管端需要探出夾具一部分，探出距離的多少主要由擋塊進(jìn)行確定，調(diào)整依據(jù)為：根據(jù)加工螺紋的類型和管徑，LC、SC、BC 三種螺紋要求的螺紋長(zhǎng)度不同，探出量要求不同。一般螺紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，探出量越大，管徑越大，相應(yīng)的鋼管探出距離要適當(dāng)大些，探出量過短則管端加工位置傳導(dǎo)受力較大產(chǎn)生彈性變形，造成加工后螺紋橢圓度較大、螺紋參數(shù)超差。若探出量較大時(shí)，由于管端直線度的問題，也容易增加螺紋出現(xiàn)振紋、黑皮扣的概率。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪臺(tái)架托輥中心和機(jī)床加工軸中心的差值，總結(jié)不同差值對(duì)管形的影響。利用所加工不同規(guī)格套管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)支撐輥高度，并在支撐輥輪與下部起升機(jī)構(gòu)中間兩端加裝彈性結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)高度時(shí)使支撐輥輪與管體外壁接觸，支撐輥下側(cè)的彈性結(jié)構(gòu)能起到一定的調(diào)節(jié)作用。

通過以上改進(jìn)，如優(yōu)化原材料采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)應(yīng)用新型機(jī)床夾瓦、機(jī)床工藝調(diào)整等，有效降低了螺紋加工參數(shù)超差的比例。

4 結(jié)束語(yǔ)

表層套管加工螺紋過程中，容易出現(xiàn)螺紋橢圓度較差而造成螺紋參數(shù)的超差，主要表現(xiàn)在平均頂徑、橢圓度和緊密距參數(shù)超差。通過分析影響螺紋平均頂徑和緊密距等參數(shù)的因素，找出套光管幾何尺寸、夾具型式和機(jī)床調(diào)整工藝對(duì)螺紋參數(shù)的影響。通過減少套光管的橢圓度、采用受力均勻的夾具以及保證夾具的同心度、合理選擇套管光管的探出量、縮小臺(tái)架托輥和機(jī)床軸中心偏差等方式，提高了表層套管的螺紋加工精度，解決了因平均頂徑、橢圓度和緊密距不合格造成的表層套管成材率低等問題。