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，李振興

（1.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞 721008； 2.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，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

隨著油氣勘探對象日趨復雜，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，受力越來越復雜，提高管柱的結構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、內壓、外壓、彎曲等復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。連接螺紋的加工質量很大程度上影響了連接強度和密封性能，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量已成為各制造企業(yè)提升產品競爭力的方向。

一般油套管螺紋接頭主要分為兩類：一類是API螺紋接頭，即美國石油學會標準規(guī)定的標準螺紋接頭（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)點是技術成熟、結構簡單、易加工、生產效率高、精度要求低、檢測方便、互換性好、生產成本低等，但由于其設計及結構特點，存在一些難以克服的缺陷，如連接強度低（主要指圓螺紋，其連接強度僅為管體強度的60%）、密封性能差（主要指偏梯形螺紋）、上扣扭矩不易控制、接頭應力高以及耐應力腐蝕差等問題。相比于API螺紋接頭，特殊螺紋一般由螺紋連接結構、密封結構、止扭矩臺肩結構等構成，由于其特殊的結構形式和密封原理，能夠很好地保證整個管柱的連接強度、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用。為保證特殊螺紋接頭的使用性能，對產品的加工精度、表面質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量可從加工精度和表面質量兩方面來分析。加工精度是加工后零件表面的實際尺寸、形狀、位置等幾何參數與圖紙設計的理想幾何參數的符合程度，常見問題是螺紋參數超差，主要表現為齒高、錐度、橢圓度、螺紋齒形、密封直徑和螺紋中徑等參數超差；表面質量則是指機械零部件加工完成后，其表面層所表現出的狀態(tài)，常見問題是表面質量不合，主要表現為螺紋表面粗糙度、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計齒高一致，但是在實際生產過程中經過測量常常發(fā)現齒高超差，易造成粘扣、扭矩曲線異常或者連接強度不足等問題。經過分析，出現這種現象的可能原因如下。

（1）在鏜孔粗車時螺紋部分精加工余量不足，導致螺紋加工齒頂不完整。針對該問題應及時測量螺紋加工上一工序精加工余量，如發(fā)現鏜孔粗車加工尺寸超差時應及時修改程序，調整精加工余量或者調整刀具精度。

（2）螺紋刀片加工磨損，導致齒底非完整。針對該問題首先檢查螺紋刀片磨損程度，發(fā)現磨損嚴重應及時更換，同時做好刀具壽命管理，提前更換刀片，降低因為齒高超差產生的廢品率。

（3）螺紋刀片安裝不正確，刀片實際安裝位置與正確安裝位置存在一定的角度差，導致螺紋齒高不合。針對該問題建議對刀具進行精準裝夾，測量檢驗刀具安裝角度是否符合要求，或者采用具有定位結構的刀具，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，螺紋錐度不合經常會導致粘扣。根據螺紋參數檢驗要求，一般要求在螺紋全長范圍內進行錐度檢驗，而實際生產中現場檢驗人員往往只檢驗全頂螺紋部分錐度，但是經過實際錐度檢驗發(fā)現，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。導致這一現象主要是因為螺紋車削工藝不合理，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致前后錐度不同。針對該問題應對螺紋錐度分段設置，優(yōu)化加工工藝，修正前后錐度值，補償因為回彈量不同導致的錐度超差。

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，導致套管公扣和接箍母扣的產品合格率下降、成本增加。經過研究分析，油套管接頭橢圓度超差的主要原因是車床卡爪結構設計不合理，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導致切削力大于工件與夾具之間的摩擦力，導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。通過從夾具設計著手，將卡爪夾具由通用夾具設計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)化設計

2.2 螺紋表面質量問題

2.2.1 表面粗糙度不合格

油套管特殊螺紋一般設計有金屬密封結構，為保證螺紋接頭的密封性能，對接頭表面粗糙度要求較高。螺紋接頭粗糙度不合格也是實際加工生產中經常出現的表面質量問題，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構的特殊螺紋接頭，造成密封性能下降，嚴重的可能造成密封泄漏，給后期施工造成巨大的經濟損失。針對粗糙度不合格問題，主要從三個方面分析解決：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，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，根據刀具形狀和工件材料，選擇合適的加工工藝參數，主要包括：切削量、主軸轉速、進給速度等，一般精加工余量0.1～0.3 mm 為宜，切削速度0.1 mm/r，轉速一般根據切削速度來選定。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計為錐螺紋，油套管螺紋前端部分為完整螺紋，后端部分為非完整螺紋，表現為黑皮扣。為保證螺紋接頭的連接性能，一般對完整螺紋和非完整螺紋的長度有明確要求，設計中我們希望完整螺紋盡可能的多，但是實際生產中常出現完整螺紋長度不足，黑皮扣過長，完整螺紋長度檢驗不合格。導致這種現象的原因有：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種情況均可導致表面加工不均勻，出現螺紋黑皮扣長度超差問題。針對黑皮扣超差問題，建議在螺紋加工前檢驗套管直度和橢圓度，同時檢查夾具安裝位置，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過多次循環(huán)加工至設計尺寸，加工完成后常在螺紋表面出現毛刺現象，首扣和黑皮扣部分尤為嚴重，這些表面毛刺如不進行處理，容易引起螺紋上扣扭矩增大，扭矩曲線異常，嚴重時會出現上扣過程粘扣現象，直接影響螺紋接頭的使用性能。造成這一表面質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；針對黑皮扣部分的毛刺，建議進行修磨處理，采用砂輪或者其他修磨工具除去表面外翻的毛刺；針對完整螺紋部分出現毛刺，首先檢查螺紋預留尺寸，如果精車加工余量不足，也會導致完整螺紋部分出現毛刺，建議調整粗車加工余量，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，理論上會保持較好的表面光潔度，但實際生產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在加工過程中產生振動，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加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表面質量，而且會影響特殊螺紋接頭的各項使用性能。螺紋表面顫紋現象，一是加工試樣、刀具或車床本身剛性不足，首先根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，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、管端擺動造成加工顫紋的產生；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產生顫紋，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，工件將會發(fā)生位置移動，導致螺紋表面顫紋產生；三是加工工藝參數選取不當，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，當達到一定載荷時，刀具容易產生振刀或者崩刀。因此應根據工件材料、螺紋齒形、每一刀車削面積優(yōu)化加工參數，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 論

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

（2）設計合理的夾具、刀具，以及合理的加工參數，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滿足加工精度要求，實現精密加工。

（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量問題，從而提高油套管特殊螺紋接頭的表面質量。