降低大口徑套管加工廢品率的措施

楊富榮 ，韓 旭 ，吳建文 ，楊文付

1.中國石油集團渤海裝備第一機械廠油井管公司 （河北 青縣 062658）

2.中國石油集團渤海裝備第一機械廠科技質量科 （河北 青縣 062658）

大口徑套管加工技術要求高、難度大，受管坯幾何尺寸、加工車床、刀具、檢驗方法和人為因素等各方面影響，容易出現(xiàn)黑皮扣、緊密距不合、端面不合、振紋等現(xiàn)象，造成大口徑套管加工廢品率較高。

1 影響大口徑套管加工質量的因素

1.1 管坯幾何尺寸

加工大口徑套管的管坯受制管工藝的局限性，幾何尺寸都會有一些偏差。這些幾何尺寸偏差在API Spec 5CT-2011[1]標準規(guī)定公差范圍內是允許的，但對加工螺紋的質量影響很大。

1.1.1 直線度

API Spec 5CT-2011標準規(guī)定全長直線度不超過管子總長的0.2%，管端1.5m長度范圍內直線度不超過3.18mm。由于大口徑套管質量較大，加工大口徑套管所用數(shù)控車床大多是采用旋轉刀盤進行切削，即刀具旋轉進給而鋼管靜止不動的切削方式，切削比較平穩(wěn)，螺紋加工精度高；其缺點是對鋼管伸出部分（管端）的直線度公差要求較高。而當管端直線度公差超過2.5mm時，加工螺紋就容易產(chǎn)生黑皮扣，形成廢品。

1.1.2 橢圓度

API Spec 5CT-2011標準對管端橢圓度沒有明確要求，只規(guī)定了管子的外徑公差值，上限為+1%D，下限為-0.5%D。 以 339.72mm(138″)套管為例，標準外徑為339.72mm，標準允許最大外徑為343.12mm,最小外徑為338.02mm，計算得出橢圓度為5.10mm。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，當原材料管端橢圓度超過3mm時，往往會造成圓周方向加工螺紋不均勻，有的地方加工余量大，導致車刀磨損快，降低刀具使用壽命；有的地方加工余量小，導致加工的螺紋出現(xiàn)黑皮扣、斷扣，螺紋成品率低。

1.1.3 壁厚

在API標準系列套管中，同一外徑會有多種的不同的壁厚，以339.72mm套管為例，壁厚共有5種，最小壁厚為8.38mm，壁厚較薄，在加工套管螺紋時，管端的剛性較差，在切削力和夾緊力的共同作用下，管端容易產(chǎn)生震顫，形成顫紋。

1.1.4 外徑偏差

API Spec 5CT-2011標準規(guī)定套管外徑D公差范圍在+1%～-0.5%，但是當管坯外徑處于極限偏差規(guī)定最小值時，螺紋的加工余量很小，往往會在加工螺紋的后程形成黑皮扣[2]，造成完整螺紋長度不夠，形成廢品。

1.1.5 管端切斜

管端切斜值是鋼管管端加工質量的一個重要指標,而鋼管口徑越大，管端切斜值則越難控制[3]，切斜示意圖如圖1所示。管端切斜值超差是由直線度及圓度、加工設備、檢測方法等因素造成的。目前國內現(xiàn)有制造企業(yè)中，大多數(shù)制造企業(yè)對于切斜的控制水平是符合要求的。但也有少數(shù)制造企業(yè)，由于加工設備落后差等原因，經(jīng)常出現(xiàn)切斜值較大的現(xiàn)象[4]。當管端切斜值超過2mm時，在加工套管螺紋時，第一刀的車端面不能把端面車削平整，就會造成加工螺紋端面不合格。而API Spec 5CT-2011標準中對管端切斜值沒有明確要求。

圖1 切斜示意圖

1.2 數(shù)控車床和刀具

數(shù)控車床是加工大口徑套管的主要設備，數(shù)控車床的精度直接影響加工大口徑套管螺紋的精度,數(shù)控車床任何一部分出現(xiàn)故障都會導致加工螺紋不合格。而加工螺紋的車刀普遍采用數(shù)控螺紋車刀，即成型車刀，螺紋的單項參數(shù)齒高、螺距、螺紋錐度等幾何尺寸主要由成型車刀來保證。但在實際加工過程中，如果刀具出現(xiàn)刀尖崩裂或磨損嚴重，就會造成超高超差，臺階、平扣、表面粗糙度超差等廢品[5]。

1.3 螺紋檢驗方法

緊密距是API套管螺紋檢測的一個重要參數(shù)，它能夠綜合反映螺紋各單項參數(shù)及表面加工質量，并對密封完整性和結構完整性影響很大。緊密距的測量都是人工旋合，大口徑套管螺紋量規(guī)本身較重，在檢驗過程中不容易保證螺紋接頭和量規(guī)同軸旋合，量規(guī)硬度遠高于套管螺紋，在檢驗緊密距過程中，一旦兩者發(fā)生非正常干涉，容易劃傷螺紋或者粘扣[6]，形成廢品。而實際生產(chǎn)中很難做到緊密距100%測量，這就可能連續(xù)出現(xiàn)緊密距不合格。

1.4 操作人員素質

操作人員是基層隊伍的主體，他們的意識和素質決定了工作質量的高低。例如有些操作人員對本崗位的操作規(guī)程掌握不熟練，加工出的廢品就會很多，而經(jīng)驗豐富、責任心強的操作人員加工出的廢品會很少。

1.5 其他

影響大口徑套管加工廢品率的因素還有很多，例如，鐵屑纏繞刀桿劃傷絲扣，車床冷卻效果欠佳產(chǎn)生積屑瘤，計量器具使用方法不正確或使用不合格計量器具等，都會影響大口徑套管的加工質量。

2 降低大口徑套管廢品率的措施

2.1 控制好管坯幾何尺寸

管坯的幾何尺寸直接影響加工螺紋的質量，因此，采購管坯時要制定適宜的采購技術協(xié)議，對影響大口徑套管加工質量的管端直線度、橢圓度、外徑偏差都要比API Spec 5CT-2011標準要求更加嚴格。套管加工企業(yè)應根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，建立企業(yè)內部控制接收標準，表1是某套管加工企業(yè)對管坯幾何尺寸制定的內控標準。實踐發(fā)現(xiàn):通過嚴格執(zhí)行內控標準要求，能夠有效提高大口徑加工合格率。

采購的管坯宜選用優(yōu)良可靠、加工能力強、質量控制完善的制造企業(yè)，并建立供方質量檔案，對各生產(chǎn)廠家的供貨質量做好統(tǒng)計分析。在管坯入廠檢驗時，對一批管坯初始檢驗時可按10%進行抽查，隨后根據(jù)抽查結果加大或減小抽查比例。

2.2 改進加工方法

2.2.1 先調節(jié)管端位置再加工螺紋

由于受生產(chǎn)成本和制管工藝的限制，采購的管坯幾何尺寸并不是很理想。而管端彎曲造成加工不合格的根本原因是加工管端中心和旋轉刀臺中心的偏差較大。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn):加工管端中心和旋轉刀臺中心的偏差超過1mm時加工的螺紋容易出現(xiàn)廢品。為減少二者之間的偏差，可以對管端彎曲的管子先試車，即對管端外圓進行少量切削，通過觀察切削外圓輪廓判斷管端彎曲的方向，然后調整管端中心的位置，可向上、下、左、右4個方向進行調節(jié)。通過調節(jié)可有效減少管端中心和旋轉刀臺中心的偏差距離，隨后再加工螺紋，這樣加工的螺紋成品率較高。

表1 某套管加工企業(yè)對管坯幾何尺寸制定的內控標準

2.2.2 使用防震顫工具加工薄壁套管

在加工大口徑薄壁套管螺紋時，可以在加工管端內部放置一個內支撐，通過增加管端的剛性來解決震顫問題。

根據(jù)加工大口徑套管的規(guī)格設計與之相配合的內支撐，內支撐實物如圖2所示，此裝置已經(jīng)申請了國家實用新型專利。在加工大口徑套管螺紋前，將內支撐放置在管端內壁，通過調節(jié)內支撐中間螺母使內支撐與管子內壁相接觸，可以增加管端剛性，減少管端震顫而引起的顫紋，降低廢品率。

圖2 內支撐實物圖

2.3 數(shù)控車床的保養(yǎng)和刀具選擇

2.3.1 數(shù)控車床的定期保養(yǎng)與維護

數(shù)控車床是屬于精密設備，需要正確地操作使用，精心地維護保養(yǎng)。套管加工廠應該制定完備的數(shù)控車床保養(yǎng)維護制度，并配備專人進行管理，根據(jù)數(shù)控車床的使用頻次和現(xiàn)狀制定合理的年度、月度和日常保養(yǎng)計劃，并嚴格按計劃進行設備保養(yǎng)與維護，對使用者進行上崗前培訓，確保其操作正確，每日進行設備運行狀況檢查。這樣才能使設備經(jīng)常處于良好的技術狀態(tài)，延長數(shù)控車床使用壽命，保證加工螺紋質量的穩(wěn)定性。

2.3.2 選用質量可靠的刀具

螺紋車刀材質大多是硬質合金鋼，材質較硬，耐磨性強。螺紋車刀屬于消耗品，都有一定的使用壽命。套管加工廠應對各刀具廠家進行對比，對使用螺紋車刀進行動態(tài)跟蹤，并選用質量穩(wěn)定的螺紋刀具，可以根據(jù)經(jīng)驗判斷螺紋車刀的磨損極限，在加工出廢品前及時更換螺紋車刀，即減少刀具的浪費又能減少廢品。

2.4 使用中徑規(guī)配合量規(guī)檢驗

由于螺紋緊密距與中徑存在一定的比例關系，當單項參數(shù)加工偏差越小，橢圓度越小，表面粗糙度越小，緊密距更能精確反映螺紋作用中徑的大小。為彌補緊密距不能100%全檢的現(xiàn)狀，宜采用中徑規(guī)配合量規(guī)檢測，以確保實時掌握螺紋緊密距變化，減少緊密距超差現(xiàn)象。

套管螺紋中徑公差的確定，就是將螺紋緊密距允許偏差轉化為中徑公差，即將軸向偏差轉化為徑向偏差，不考慮錐度、齒高、對緊密距的影響時，公式為中徑公差=緊密距公差×錐度標準值。

中徑公差值確定后，在檢驗螺紋中徑時，使用中徑規(guī)可直接讀出螺紋中徑偏差和橢圓度，操作簡單方便，測量頻次可達100%。當中徑公差和橢圓度變化較大時，就需要用量規(guī)檢測緊密距，若緊密距值在公差上限或下限時，則要調整螺紋車刀的刀具補償參數(shù)，可有效減少緊密距超差，降低廢品率。

2.5 提高操作人員素質

降低大口徑套管加工廢品率的另一個有效方法就是提高操作人員素質，培養(yǎng)一專多能的技能人才。要教育操作人員養(yǎng)成良好的職業(yè)習慣，通過培訓等手段提升其操作技能，增強其質量意識和責任心。在加工大口徑套管時，高素質的操作人員能時刻檢查加工狀態(tài)，隨時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取有效措施，減少誤操作，降低廢品率。

3 結論

影響大口徑套管加工合格率的原因有很多，要想降低加工廢品率就要從各個方面嚴格控制，采取有效措施，建立完善的加工檢驗工藝規(guī)程和作業(yè)文件，并能嚴格執(zhí)行和落實，才能把廢品率降到最低，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

[1]API Spec 5CT-2011套管和油管規(guī)范（第9版）[S].

[2]艾裕豐，吳健，衛(wèi)尊義，等.API油管和套管螺紋加工與檢驗探討[J].焊管，2013,36(5):45-49.

[3]馮釗棠.鋼管管端切斜的控制及切斜值測量方法 [J].焊管，2012,35（5）:36-39.

[4]焦斌，董秀娟.管線管端面切斜超差問題的研究與控制[J].石油天然氣學報，2012，34（9）:336-338.

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