理化性能對HFW 套管螺紋粘扣的影響及改進

宋桐亮，胡海波，馬春莉，馮 杰

（1.中國石油集團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.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

螺紋粘扣是套管常見的損傷失效形式，避免套管粘扣是油套管生產廠家重點關注的問題。HFW（High Frequency Weld原ing，高頻電阻焊鋼管）套管為保證焊接質量，需要追求較低的碳當量，重點控制碳含量和碳當量。因碳當量與抗拉強度和硬度等力學性能存在一定的正比關系，故HFW 套管管體硬度比無縫管低，與無縫管制成的接箍進行上卸扣試驗時容易出現(xiàn)粘扣問題。以滿足API 標準的J55 鋼級HFW 套管為例，通過研究HFW 套管粘扣失效機理，找出主要影響因素。從化學成分優(yōu)化、硬度控制方面進行分析總結，提出在理化性能方面降低HFW套管螺紋粘扣概率的建議，對HFW 套光管生產廠家和HFW 套管螺紋加工廠家都有一定的借鑒意義。

1 套管螺紋粘扣原理

粘扣是一種來源于管螺紋和接箍螺紋的擰接中，發(fā)生在相互接觸螺紋表面間的冷焊，很多文獻將其歸為粘著磨損。粘著磨損是指滑動摩擦時摩擦副接觸面局部的接觸應力超過了屈服強度，致使接觸面的金屬產生塑性變形，在隨后相對滑動中塑性變形處被破壞，螺紋外表面金屬形成損傷。而套管螺紋發(fā)生粘扣的主要原因是在高接觸壓力、高溫和高速加載的作用下,金屬表面發(fā)生塑性變形，繼而螺紋產生擠壓剝落、犁溝和嵌入金屬的損傷問題。

2 HFW 套管螺紋粘扣主要特征

J55 鋼級HFW 套管現(xiàn)已是成熟產品，生產過程中不易發(fā)生粘扣問題。但這只限定在只有一次上扣的基礎上，若按照相關檢驗標準進行多次上卸扣試驗，HFW 套管的易粘扣問題便呈現(xiàn)出來。

選取滿足API 標準的J55 HFW 套管，對不同廠家、不同批次的產品進行試驗。在滿足螺紋參數(shù)、樣件表面質量均符合標準要求、上扣設備完好的前提下，取樣進行上卸扣試驗，發(fā)現(xiàn)有些批次的產品出現(xiàn)粘扣。

通過對出現(xiàn)粘扣批次的樣件進行螺紋檢查，發(fā)現(xiàn)所有管體螺紋粘扣均出現(xiàn)在螺紋全長的后半部分，即從螺紋倒角開始的前部螺紋幾乎沒有任何損傷，而與管子相對應的接箍螺紋粘扣只發(fā)生在螺紋起始部位。這種粘扣特征與無縫套管的粘扣特征存在很大區(qū)別。無縫管的粘扣特征是，公螺紋發(fā)生粘扣時，與之相配的母螺紋同時會出現(xiàn)粘扣，并且從公、母螺紋的起始扣位置開始在全配合長度范圍內螺紋牙型全部損壞。

3 HFW 套管粘扣原因分析

3.1 化學成分

通過對粘扣的接箍和管體進行理化性能分析，HFW 管體和無縫管制成的接箍，化學成分皆符合API SPEC 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》（第10 版）要求。其中HFW 鋼管為提高焊接質量，碳含量和碳當量低于無縫管制成的接箍。其中HFW 鋼管碳含量0.16%0.17%，碳當量0.3280.353；接箍碳含量0.35%0.37%，碳當量0.5420.570。

3.2 機械性能

機械性能方面，HFW 鋼管和接箍的抗拉強度和硬度區(qū)別較大，接箍的抗拉強度和硬度值都要高于HFW 鋼管。HFW 鋼管抗拉強度（550600）MPa，布式硬度（165180）HB；接箍抗拉強度（600680）MPa，布式硬度（205230）HB。

因為抗拉強度和布式硬度在數(shù)學上存在近似的正比例關系，因此可以采取差值較大的抗拉強度和布式硬度中的一項數(shù)據(jù)進行研究，本文選擇對材料的布式硬度進行研究。

3.3 金相組織

按照API SPEC 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》（第10 版）標準在管體和接箍截取金相試樣，依據(jù)GB/T 10561—2005 及GB/T 6394—2017 標準進行顯微組織分析，都為鐵素體加珠光體組織，未發(fā)現(xiàn)不良的組織。

3.4 硬度與螺紋粘扣關系

通過粘著磨損公式（駐V=KN/3HB，駐V 為單位滑動距離的磨損體積；N 為法向載荷；HB 為表面硬度；K 為磨損系數(shù)）可以看出，隨著表面硬度的增加，粘扣的傾向性變小。

對發(fā)生粘扣的試樣進行分析，重點研究管體和接箍的硬度值及差值,發(fā)現(xiàn)粘扣的樣件接箍和管體的硬度差值較大。出現(xiàn)粘扣管體硬度多在170 HB 左右，接箍硬度多在（210230）HB，兩者硬度差40 HB 以上。排除操作不當、表面質量不良等因素，造成HFW套管螺紋粘扣的主要原因是管體和接箍硬度相差較大。接箍硬度高，管體硬度低，接箍端部起始扣為不完整牙形，在扭矩作用下啃掉與其硬度相差較多的管體螺紋牙側，從而形成粘扣。為了減輕接箍端部對管體螺紋的啃傷，降低管體和接箍的硬度差是關鍵。

4 改進建議

HFW 套管為保證管坯成管時的焊接質量，追求較低的碳當量，故硬度值比無縫管制成的接箍低很多，如果硬度差過大，易造成螺紋粘扣。通過前期大量試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，未發(fā)生粘扣的管體和接箍硬度差值在25 HB 以內。因此在生產過程中就需要盡量控制管體和接箍的硬度差在25 HB 以內。

API SPEC 5CT—2018 標準對J55 鋼級的HFW 套管硬度沒有要求，為了保證較好的可焊性和焊縫質量的穩(wěn)定性，行業(yè)上一般對J55 鋼級HFW 套管的管體碳當量控制在0.40 以下。為了減輕HFW 套管粘扣出現(xiàn)的概率，建議訂貨時對HFW 鋼管和接箍的化學成分和硬度值進行要求。

針對HFW 套管，在保證焊接質量的前提下，應與供貨廠家協(xié)商，對C 含量和其他元素進行調整，C 和Mn 元素含量適當提高，同時在生產過程中保證定徑量不低于周長值的1%，借以保證管體的硬度180 HB，碳含量0.17%，碳當量0.35。

J55 鋼級的接箍坯料是熱軋無縫管正火狀態(tài)出廠，常用材料是37Mn5，含碳量為0.37左右，硬度（195235）HB。為了減少粘扣概率，應降低接箍硬度，保證接箍硬度220 HB，碳含量0.37%，碳當量0.60。

同時，螺紋參數(shù)、螺紋脂質量、組裝工序轉速控制、現(xiàn)場操作是否合規(guī)等，都會影響上卸扣螺紋的質量，應在生產過程中關注這些因素，防止失控造成質量問題。

5 結論

通過現(xiàn)場試驗和分析得出，J55 鋼級HFW 鋼管和接箍存在較大的硬度差會導致螺紋粘扣出現(xiàn)概率的增大。為了降低HFW套管粘扣概率，應分別控制HFW 鋼管和接箍的化學成分和力學性能。對于HFW 鋼管，應適當提高碳含量和碳當量，并規(guī)定硬度值下限；對于無縫管制成的接箍，應適當降低碳含量和碳當量，并規(guī)定硬度值上限。