某油田N80鋼級長圓螺紋套管螺紋黏結原因分析

楊富榮，薛自建，韓 旭，蘇金洋，董茂新，張守長，金 冬，史東輝

（渤海裝備第一機械廠，河北 青縣 062658）

在油套管的檢驗和使用中，螺紋黏結是最常見的損傷失效形式，油套管一旦發生螺紋黏結將直接影響套管的密封性能和連接強度，從而產生套管柱的脫落或泄漏，影響油井的正常生產，造成巨大的經濟損失［1-3］。因此，套管螺紋黏結性能是考核、衡量套管產品質量水平的重要性能指標。本文通過對套管性能、螺紋參數及表面處理的分析，找出了某批Φ244.48mm×10.03 mm規格N80鋼級長圓螺紋套管螺紋黏結原因。

1 螺紋黏結實例

某套管加工廠生產的一批Φ244.48 mm×10.03 mm規格N80鋼級長圓螺紋套管在油田使用時發生了嚴重的螺紋黏結現象，螺紋黏結位置主要在外螺紋的18～28扣、內螺紋的起始1～7扣。隨后該油田更換了另一批同規格同鋼級套管，在同樣作業條件下使用卻未發生螺紋黏結現象。由此可以判斷：此批套管螺紋黏結原因是套管的質量問題，而不是油田的使用操作不當造成的。

2 螺紋黏結的影響因素

根據ISO 13679∶2002標準的定義，螺紋黏結是相互接觸金屬表面間發生的一種冷焊［4］。這主要是指在油套管上、卸扣過程中，油套管螺紋在高接觸壓力、高溫和高速加載作用下，金屬表面發生彈性變形、塑性變形、擠壓剝落、“犁溝”和嵌入金屬的損傷［5-7］。因此螺紋黏結的發生可能有以下幾個方面的因素，即螺紋尺寸精度、螺紋表面質量、套管材料特性、接箍表面處理效果、螺紋脂質量等。為找出該批套管螺紋黏結的具體原因，就是否由以上因素影響套管的抗螺紋黏結性能進行逐一分析討論。

2.1 螺紋參數的影響

套管螺紋參數與螺紋黏結的產生是緊密相關的，因為該參數不僅影響到螺紋連接的接觸應力，同時也影響螺紋連接的應力分布［8］。隨機檢測了10支與發生螺紋黏結同批次N80鋼級套管的螺紋參數，具體見表1。檢測結果顯示：N80鋼級套管螺紋參數完全符合APISpec 5B—2011標準［9］要求，而且螺紋參數變化范圍較小。因此，該批N80鋼級套管螺紋黏結不是螺紋參數引起的。

表1 N80鋼級套管內、外螺紋參數

2.2 螺紋表面質量的影響

研究表明，套管螺紋表面粗糙度越小，則摩擦因數、摩擦力就越小，就越不易發生螺紋黏結；若螺紋表面粗糙度較大或起始扣螺紋有毛刺，都會使摩擦因數變大，摩擦力也隨之增大，螺紋黏結相對容易發生［10-11］。文獻［12］指出由于應力集中和幾何約束，起始扣牙型和螺紋表面質量也是引起螺紋黏結失效的主要原因之一。因此對發生螺紋黏結的同批套管進行起始扣牙型和螺紋表面質量檢驗，通過與粗糙度對比塊進行比對，得出檢驗的10支螺紋表面粗糙度為R a1.6，螺紋表面較為光滑，且螺紋起始扣處未發現有毛刺現象。因此，螺紋表面質量也不是引起該批套管螺紋黏結的原因。

2.3 套管材料特性對螺紋黏結性能分析

螺紋黏結是內外螺紋黏著磨損的結果，套管的材料性能決定其切削性能，即決定套管螺紋接頭的加工質量［6］。通過對該批N80鋼級套管材料的化學成分、晶粒度和機械性能進行檢測，結果見表2～3。檢測結果顯示：該批套管管體和接箍材料的化學成分和機械性能性均符合APISpec 5CT—2011標準［13］對N80鋼級的要求。管體和接箍碳含量僅為0.26%～0.27%，晶粒度在6.6～7.0級，而0℃沖擊功高達110 J，韌性較好。據了解，國內多家知名生產企業對N80鋼級的控制指標一般是：碳含量在0.37%左右，晶粒度在8級以上，沖擊功在80 J左右。

表2 N80鋼級套管化學成分（質量分數） %

表3 N80鋼級套管力學性能檢測結果

為驗證碳含量對抗螺紋黏結性能的影響，更換了接箍材料（碳含量為0.36%，晶粒度為8級，沖擊功為89 J），進行3組不同硬度試樣的上、卸扣對比試驗。第一次上、卸扣后螺紋均完好，在第二次上、卸扣后出現了局部的螺紋損傷，但牙型基本完好，第三次上、卸扣后均可以卸下，沒有黏結在一起，但有兩組螺紋損傷嚴重，且無法修復。這些試驗結果表明，材料的碳含量、晶粒度對抗螺紋黏結性能有很大影響。

2.4 材料硬度的影響

通過對現場出現螺紋黏結的N80鋼級套管進行硬度檢測，發現有個別套管管體硬度偏低，或者是管體和接箍的硬度差值較大。因此，選擇不同硬度的試樣進行上、卸扣試驗，試驗結果見表4。

表4 不同硬度值套管的上、卸扣試驗結果

從表4可以看出，管體材料硬度值較低時容易發生螺紋黏結現象。而現場出現螺紋黏結的N80鋼級套管管體硬度均小于165 HB，這也再次驗證了上述試驗結果。

2.5 接箍螺紋表面處理的影響

目前，油套管接箍的表面處理技術有磷化、鍍鋅、鍍銅等。不同的表面處理技術，其抗螺紋黏結效果不一樣。鍍層的厚度、硬度、熔點或分解溫度、結晶晶粒的形態等都直接影響螺紋的抗螺紋黏結性能［10］。現場發生螺紋黏結的套管接箍螺紋表面處理工藝為鋅錳系中溫磷化，通過觀察第一次上、卸扣后的接箍表面磷化層，發現接箍起始1～7扣的磷化層嚴重脫落，說明磷化層的附著力較差，測量磷化層厚度，僅為6～12μm，且分布沒有規律性。

為進一步研究接箍螺紋表面處理對螺紋黏結性能的影響，對同一爐號的N80鋼級套管及接箍（管體硬度約為180 HB，接箍硬度約為200 HB，晶粒度為8.0級）分別進行鋅錳系中溫磷化、鍍銅和純錳系高溫磷化工藝的螺紋表面處理，各取3組做上、卸扣試驗，結果見表5。

表5 不同表面處理工藝的套管上、卸扣試驗結果

從表5可以看出：鋅錳系中溫磷化與鍍銅工藝的上卸扣試驗結果一致，說明這兩種螺紋表面處理工藝對抗螺紋黏結性能影響相近；純錳系高溫磷化工藝的抗螺紋黏結性能優于前兩種表面處理工藝。

2.6 螺紋脂的影響

螺紋脂對套管接頭具有潤滑和填充密封的作用，可以減小或緩解套管接頭螺紋黏結程度［14］。該批螺紋黏結套管所用螺紋脂為改進型螺紋脂，其主要性能參數見表6。由表6可以看出，螺紋脂的性能參數均滿足 ISO 13678∶2000 標準［15］要求，且螺紋脂涂抹均勻，用量適宜；說明套管的螺紋黏結不是螺紋脂引起的。

表6 改進型螺紋脂的主要性能參數

3 結 語

通過對螺紋黏結同批N80鋼級套管進行檢測與試驗分析，螺紋黏結套管的螺紋參數、螺紋表面質量、化學成分、力學性能及螺紋脂的性能參數均滿足標準要求。管體和接箍材料碳含量較低、硬度低，是造成N80鋼級長圓螺紋套管螺紋黏結的主要原因；此外，接箍表面磷化層較薄、附著力差也是造成螺紋黏結的另一原因。

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