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(fā)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(guī)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(guī)格N80鋼級長圓螺紋套管在油田使用時發(fā)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(guī)格同鋼級套管，在同樣作業(yè)條件下使用卻未發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)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(fā)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(fā)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(tài)等都直接影響螺紋的抗螺紋黏結性能［10］?，F場發(fā)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(fā)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(guī)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(yōu)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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