油套管特殊螺紋加工常見問題及控制方法*

周新義，黃德全，何立軍，唐家睿，汪 強(qiáng)，李振興

（1.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008； 2.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018； 3.中國石油寶雞鋼管資陽石油鋼管有限公司，四川 資陽 641300；4.中國石油玉門油田分公司，甘肅 酒泉 735019）

1 概 述

隨著油氣勘探對(duì)象日趨復(fù)雜，開發(fā)難度越來越大，特別是深層常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)過程中，管柱服役工況越來越苛刻，受力越來越復(fù)雜，提高管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性面臨非常大的挑戰(zhàn)。在油氣勘探開發(fā)過程中，油套管管柱長期承受拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、彎曲等復(fù)雜載荷及溫度變化的影響，在此工況下，螺紋部位最易發(fā)生失效。連接螺紋的加工質(zhì)量很大程度上影響了連接強(qiáng)度和密封性能，也是螺紋接頭失效發(fā)生的主要原因之一。因此，如何提高螺紋加工質(zhì)量已成為各制造企業(yè)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的方向。

一般油套管螺紋接頭主要分為兩類：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（主要包括圓螺紋和偏梯形螺紋）；另一類是非API螺紋接頭，也就是我們常說的特殊螺紋接頭。API螺紋接頭的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、生產(chǎn)效率高、精度要求低、檢測(cè)方便、互換性好、生產(chǎn)成本低等，但由于其設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在一些難以克服的缺陷，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。相比于API螺紋接頭，特殊螺紋一般由螺紋連接結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、止扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式和密封原理，能夠很好地保證整個(gè)管柱的連接強(qiáng)度、密封壓力、疲勞性能以及抗腐蝕能力，在油氣田開發(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為保證特殊螺紋接頭的使用性能，對(duì)產(chǎn)品的加工精度、表面質(zhì)量也提出了更高的要求。

2 特殊螺紋加工常見問題及控制方法

油套管接頭的加工質(zhì)量可從加工精度和表面質(zhì)量兩方面來分析。加工精度是加工后零件表面的實(shí)際尺寸、形狀、位置等幾何參數(shù)與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的理想幾何參數(shù)的符合程度，常見問題是螺紋參數(shù)超差，主要表現(xiàn)為齒高、錐度、橢圓度、螺紋齒形、密封直徑和螺紋中徑等參數(shù)超差；表面質(zhì)量則是指機(jī)械零部件加工完成后，其表面層所表現(xiàn)出的狀態(tài)，常見問題是表面質(zhì)量不合，主要表現(xiàn)為螺紋表面粗糙度、黑皮扣、螺紋毛刺或翻邊、螺紋表面顫紋等。

2.1 螺紋加工精度問題

2.1.1 牙形高度超差

油套管螺紋加工一般采用成型刀片進(jìn)行加工，刀片的形狀與螺紋齒形基本吻合，理論上加工后的螺紋齒高與設(shè)計(jì)齒高一致，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中經(jīng)過測(cè)量常常發(fā)現(xiàn)齒高超差，易造成粘扣、扭矩曲線異常或者連接強(qiáng)度不足等問題。經(jīng)過分析，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因如下。

（1）在鏜孔粗車時(shí)螺紋部分精加工余量不足，導(dǎo)致螺紋加工齒頂不完整。針對(duì)該問題應(yīng)及時(shí)測(cè)量螺紋加工上一工序精加工余量，如發(fā)現(xiàn)鏜孔粗車加工尺寸超差時(shí)應(yīng)及時(shí)修改程序，調(diào)整精加工余量或者調(diào)整刀具精度。

（2）螺紋刀片加工磨損，導(dǎo)致齒底非完整。針對(duì)該問題首先檢查螺紋刀片磨損程度，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重應(yīng)及時(shí)更換，同時(shí)做好刀具壽命管理，提前更換刀片，降低因?yàn)辇X高超差產(chǎn)生的廢品率。

（3）螺紋刀片安裝不正確，刀片實(shí)際安裝位置與正確安裝位置存在一定的角度差，導(dǎo)致螺紋齒高不合。針對(duì)該問題建議對(duì)刀具進(jìn)行精準(zhǔn)裝夾，測(cè)量檢驗(yàn)刀具安裝角度是否符合要求，或者采用具有定位結(jié)構(gòu)的刀具，提高刀具安裝精度。

2.1.2 螺紋錐度超差

油套管特殊螺紋一般均采用錐螺紋形式，螺紋錐度不合經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致粘扣。根據(jù)螺紋參數(shù)檢驗(yàn)要求，一般要求在螺紋全長范圍內(nèi)進(jìn)行錐度檢驗(yàn)，而實(shí)際生產(chǎn)中現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員往往只檢驗(yàn)全頂螺紋部分錐度，但是經(jīng)過實(shí)際錐度檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螺紋的前錐和后錐存在一定的偏差，前錐滿足要求，但是后錐超差。導(dǎo)致這一現(xiàn)象主要是因?yàn)槁菁y車削工藝不合理，由于金屬切削過程中，螺紋刀片切削前部分和后部分切削量不同，前部切削量均勻，而后部分切削量逐漸減少，金屬在切削完成后材料的回彈量不同導(dǎo)致前后錐度不同。針對(duì)該問題應(yīng)對(duì)螺紋錐度分段設(shè)置，優(yōu)化加工工藝，修正前后錐度值，補(bǔ)償因?yàn)榛貜椓坎煌瑢?dǎo)致的錐度超差。

2.1.3 螺紋及密封直徑橢圓度超差

石油套管及接箍是典型的薄壁工件，對(duì)夾持壓力非常敏感，夾持壓力過大，螺紋和密封面加工過程中極易發(fā)生彈塑性變形，造成橢圓度超差，導(dǎo)致套管公扣和接箍母扣的產(chǎn)品合格率下降、成本增加。經(jīng)過研究分析，油套管接頭橢圓度超差的主要原因是車床卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成鋼管受力不均，發(fā)生不均勻彈性變形，加工變形過程如圖1所示。

圖1 加工變形過程

通過分析螺紋接頭加工過程，控制螺紋和密封的橢圓度，需要降低加工過程工件的彈性變形。一是可以通過增大工件與夾具的接觸面積，二是降低夾具對(duì)工件的夾持壓力，以減小螺紋加工過程彈性變形，但是由于夾持壓力過低會(huì)導(dǎo)致切削力大于工件與夾具之間的摩擦力，導(dǎo)致加工過程工件打滑，螺紋表面亂扣。因此，在保證一定夾持壓力的情況下，增大油套管與夾具的接觸面積，使夾持壓力均勻分布在接箍或者油套管表面，減小油套管的受力集中，使其不易產(chǎn)生變形或者減小變形，從而解決橢圓度超差的問題。通過從夾具設(shè)計(jì)著手，將卡爪夾具由通用夾具設(shè)計(jì)為圓弧形狀專用夾具（如圖2 所示），圓弧曲率與油套管圓弧保持一致，避免受力集中，控制油套管彈性變形量，從而很好地解決橢圓度超差的問題。

圖2 夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2 螺紋表面質(zhì)量問題

2.2.1 表面粗糙度不合格

油套管特殊螺紋一般設(shè)計(jì)有金屬密封結(jié)構(gòu)，為保證螺紋接頭的密封性能，對(duì)接頭表面粗糙度要求較高。螺紋接頭粗糙度不合格也是實(shí)際加工生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的表面質(zhì)量問題，粗糙度不合格可能造成油套管使用性能下降，特別是具有金屬密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，造成密封性能下降，嚴(yán)重的可能造成密封泄漏，給后期施工造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)粗糙度不合格問題，主要從三個(gè)方面分析解決：一是選擇合適的刀具形狀，在精加工粗糙度要求較高的密封表面時(shí)，盡可能選擇小角度菱形刀片，配合較小的刀尖圓角，通常圓角大小選用R0.4 為宜；同時(shí)選擇合適的刀具前角和后角，一般正前角刀片切削輕快，更適合做精加工，后角選擇常有5°、7°、11°三種搭配。二是先擇合適的加工工藝，為保證密封面具有一定的粗糙度，根據(jù)刀具形狀和工件材料，選擇合適的加工工藝參數(shù)，主要包括：切削量、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等，一般精加工余量0.1～0.3 mm 為宜，切削速度0.1 mm/r，轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來選定。三是檢查刀具磨損情況，刀片的輕微磨損會(huì)造成刀片切削刃處不規(guī)則，造成加工表面粗糙度不合格。

2.2.2 黑皮扣

為方便螺紋接頭引扣和上扣，油套管螺紋接頭一般設(shè)計(jì)為錐螺紋，油套管螺紋前端部分為完整螺紋，后端部分為非完整螺紋，表現(xiàn)為黑皮扣。為保證螺紋接頭的連接性能，一般對(duì)完整螺紋和非完整螺紋的長度有明確要求，設(shè)計(jì)中我們希望完整螺紋盡可能的多，但是實(shí)際生產(chǎn)中常出現(xiàn)完整螺紋長度不足，黑皮扣過長，完整螺紋長度檢驗(yàn)不合格。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有：①油套管管端直度超差；②套管管坯橢圓度超差；③套管夾持偏心。3種情況均可導(dǎo)致表面加工不均勻，出現(xiàn)螺紋黑皮扣長度超差問題。針對(duì)黑皮扣超差問題，建議在螺紋加工前檢驗(yàn)套管直度和橢圓度，同時(shí)檢查夾具安裝位置，盡可能保持夾具與套管保持同一圓弧曲率。

2.2.3 螺紋毛刺及翻邊

油套管螺紋一般采用成型刀片經(jīng)過多次循環(huán)加工至設(shè)計(jì)尺寸，加工完成后常在螺紋表面出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，首扣和黑皮扣部分尤為嚴(yán)重，這些表面毛刺如不進(jìn)行處理，容易引起螺紋上扣扭矩增大，扭矩曲線異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)上扣過程粘扣現(xiàn)象，直接影響螺紋接頭的使用性能。造成這一表面質(zhì)量問題的主要原因是加工過程中螺紋齒頂非完整形狀，造成螺紋齒頂鐵屑外翻。針對(duì)首扣毛刺，建議在螺紋車削完成后，增加首扣鏟除工序，鏟除首扣非完整的螺紋部分；針對(duì)黑皮扣部分的毛刺，建議進(jìn)行修磨處理，采用砂輪或者其他修磨工具除去表面外翻的毛刺；針對(duì)完整螺紋部分出現(xiàn)毛刺，首先檢查螺紋預(yù)留尺寸，如果精車加工余量不足，也會(huì)導(dǎo)致完整螺紋部分出現(xiàn)毛刺，建議調(diào)整粗車加工余量，保證螺紋精車有足夠的余量。

2.2.4 螺紋表面顫紋

螺紋采用成型刀具連續(xù)加工而成，理論上會(huì)保持較好的表面光潔度，但實(shí)際生產(chǎn)過程中如果加工剛性較差的薄壁工件或者刀具、車床的剛性不足以及夾持力不足都會(huì)在加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)，在螺紋加工表面形成顫紋。顫紋是油套管特殊螺紋接頭生產(chǎn)加工過程中普遍存在的現(xiàn)象，不僅影響特殊螺紋接頭的表面質(zhì)量，而且會(huì)影響特殊螺紋接頭的各項(xiàng)使用性能。螺紋表面顫紋現(xiàn)象，一是加工試樣、刀具或車床本身剛性不足，首先根據(jù)螺紋的設(shè)計(jì)長度、車床的加工特點(diǎn)和刀具裝夾方式，選擇合理的工件懸出長度和刀具懸長，以提高工件和刀具的剛性，避免管體懸出過長、管端擺動(dòng)造成加工顫紋的產(chǎn)生；二是加工工件的裝夾方式不合理，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會(huì)產(chǎn)生顫紋，如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，切削力大于工件與夾具之間的摩檫力，工件將會(huì)發(fā)生位置移動(dòng)，導(dǎo)致螺紋表面顫紋產(chǎn)生；三是加工工藝參數(shù)選取不當(dāng)，螺紋加工過程中，切削面積逐漸增大，成型刀片承受的切削載荷也逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定載荷時(shí)，刀具容易產(chǎn)生振刀或者崩刀。因此應(yīng)根據(jù)工件材料、螺紋齒形、每一刀車削面積優(yōu)化加工參數(shù)，如切削量、切削速度，切削量可以隨著切削面積增大而逐漸減小，而不是平均分配切削量。

3 結(jié) 論

（1）油套管特殊螺紋接頭的加工精度和表面質(zhì)量直接影響著油套管的使用性能，因此在生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制螺紋接頭加工過程的加工精度和表面質(zhì)量。

（2）設(shè)計(jì)合理的夾具、刀具，以及合理的加工參數(shù)，可以有效提高特殊螺紋加工精度，保證密封直徑和螺紋中徑橢圓度、齒高、錐度，以及螺紋輪廓形貌等參數(shù)滿足加工精度要求，實(shí)現(xiàn)精密加工。

（3）優(yōu)化加工工藝，合理分配加工吃刀量，以及選擇合適的刀具和工件裝夾方式，控制管坯幾何尺寸等，可提高刀具和工件的剛性，有效控制螺紋表面粗糙度、毛刺、黑皮扣以及顫紋等外觀質(zhì)量問題，從而提高油套管特殊螺紋接頭的表面質(zhì)量。