油井管上扣過(guò)程中摩擦磨損對(duì)摩擦因數(shù)影響分析

曹　杉，高進(jìn)偉，孔祥領(lǐng)，黨　民，閆柏辰

(中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100028)①

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油井管上扣過(guò)程中摩擦磨損對(duì)摩擦因數(shù)影響分析

曹杉，高進(jìn)偉，孔祥領(lǐng)，黨民，閆柏辰

(中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100028)①

摘要：特殊螺紋油井管和傳統(tǒng)的API油井管在現(xiàn)場(chǎng)使用中都應(yīng)按推薦上扣轉(zhuǎn)矩進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)矩值的計(jì)算與兩接觸表面間的摩擦因數(shù)密切相關(guān)。目前，摩擦因數(shù)由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出，且在API標(biāo)準(zhǔn)中通常設(shè)置為常數(shù)，忽略了表面性能和操作環(huán)境等方面的影響，使上扣轉(zhuǎn)矩的計(jì)算不準(zhǔn)確；尤其在高溫、高壓等復(fù)雜井況中，可能引起螺紋泄露或過(guò)扭漲扣等。建立了相應(yīng)理論模型，仿真了上扣過(guò)程中螺紋表面的摩擦磨損對(duì)摩擦因數(shù)的影響；分析了隨著滑移距離的增大，表面形貌、粗糙度及摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)。仿真結(jié)論表明，由于上扣過(guò)程中的“磨損拋光效應(yīng)”，摩擦因數(shù)逐漸降低，最終穩(wěn)定在起始值的88%左右。這一研究對(duì)油井管上扣過(guò)程中的摩擦磨損、螺紋粘扣以及上扣轉(zhuǎn)矩的確定具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：油井管；轉(zhuǎn)矩；螺紋；摩擦因數(shù)

近年來(lái)，油氣勘探開(kāi)發(fā)難度逐漸增大，油井管服役條件日益苛刻[1-3]，例如深井及超深井、高抗擠需求、高抗硫需求以及含有其他腐蝕氣體等高難度井越來(lái)越多。在油井管的實(shí)際使用中，超過(guò)2/3的失效屬于螺紋失效[4-5]，而大多數(shù)螺紋失效都與粘扣相關(guān)，尤其是深海領(lǐng)域，螺紋粘扣引起了廣泛的關(guān)注[6]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年僅在北海地區(qū)，粘扣導(dǎo)致的產(chǎn)量下降、更換油井管柱等造成了數(shù)十億美元的損失[7]。

1綜述

為應(yīng)對(duì)各種高難度井況，非API系列油井管的需求旺盛，對(duì)油井管螺紋接頭的密封性能、連接強(qiáng)度以及抗腐蝕能力都有了更高的要求[8]。特殊螺紋設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)螺紋連接、密封面以及轉(zhuǎn)矩臺(tái)肩，最大程度地減少螺紋塑性變形、降低螺紋應(yīng)力集中、確保接頭密封[9]，從而保證管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封性能。Bradley等人[10]指出，為確保特殊螺紋在高溫、高壓環(huán)境下的應(yīng)用，特殊螺紋連接的相關(guān)測(cè)試必須精確。考慮到成本原因，螺紋設(shè)計(jì)與測(cè)試中使用最多的仍然是有限元分析方法[4，11-12]。

根據(jù)API RP 5C5(ISO 13679)的定義[13]，油井管螺紋粘扣是發(fā)生在相互接觸的金屬表面之間的冷焊，是螺紋表面的連續(xù)性、完整性和尺寸精度遭到破壞的一種失效現(xiàn)象[14]。粘扣主要是在高接觸壓力、高溫和/或高速加載的作用下，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過(guò)程[15]。在決定螺紋是否會(huì)發(fā)生粘扣的影響因素中，油井管的上扣轉(zhuǎn)矩是最為重要的參數(shù)之一，尤其對(duì)于復(fù)雜工況，合理的轉(zhuǎn)矩值尤為重要[10]。一方面，上扣轉(zhuǎn)矩決定了管體與接箍之間能否形成有效密封，當(dāng)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，很可能形成泄露通道；另一方面，當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，螺紋之間、金屬-金屬密封之間容易產(chǎn)生塑性變形，從而導(dǎo)致粘扣。

為了有效防止上述弊端，應(yīng)當(dāng)合理計(jì)算轉(zhuǎn)矩的推薦值。以鉆具為例，上扣轉(zhuǎn)矩值根據(jù)Duggan的轉(zhuǎn)矩方程計(jì)算[16]，該方程是基于螺栓、螺母間的滑移模型推導(dǎo)的。上扣轉(zhuǎn)矩與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系[17]為

(1)

式中：Ym為材料的最小屈服強(qiáng)度；p為螺紋導(dǎo)程；θ為螺紋角度；Rt、Rs為與螺紋尺寸相關(guān)的參數(shù)；A是與應(yīng)力釋放槽相關(guān)的幾何參數(shù)；f為摩擦因數(shù)，根據(jù)API RP 7G，對(duì)于緊密配合的螺紋或臺(tái)肩表面，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～60%金屬鋅的螺紋脂時(shí)，摩擦因數(shù)約為0.08[17]。

由此可見(jiàn)，螺紋表面的摩擦因數(shù)對(duì)推薦轉(zhuǎn)矩值的計(jì)算有顯著影響。API RP 5A3的推薦做法中給出了估算摩擦因數(shù)的基本方法，測(cè)試系統(tǒng)則由馬達(dá)、轉(zhuǎn)矩傳感器和旋轉(zhuǎn)角度傳感器等組成，測(cè)試樣品為螺栓、螺母，如圖1所示[18]。其中，馬達(dá)提供了螺栓的旋轉(zhuǎn)并輸出轉(zhuǎn)矩，分別由2種傳感器讀出各狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩值和旋轉(zhuǎn)角度，從而計(jì)算對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)。根據(jù)API RP 5A3中的描述，油套管螺紋連接的接觸壓力為35～140 MPa；若螺紋脂分布較薄，表面接觸壓力可高達(dá)200～425 MPa[18]；而在特殊螺紋中可達(dá)690 MPa[19-20]，遠(yuǎn)高于API RP 5A3的測(cè)試狀態(tài)。因此，在同等潤(rùn)滑條件下，當(dāng)承載增大時(shí)，潤(rùn)滑條件惡化、粘扣風(fēng)險(xiǎn)增加，API測(cè)試中得到的摩擦因數(shù)低于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

1—控制面板；2—齒輪箱；3—旋轉(zhuǎn)傳感器；4—內(nèi)六角固定頭；

摩擦因數(shù)不但取決于上述接觸壓力的大小，還與接觸表面的基本性能以及動(dòng)態(tài)性能[21]相關(guān)。螺紋在實(shí)際擰接中的摩擦磨損也會(huì)對(duì)摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響，稱(chēng)為“磨損拋光效應(yīng)”。所謂磨損，即接觸表面之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成一定材料損失的現(xiàn)象[22]，通常用單位時(shí)間、單位滑行距離下的表面磨損量來(lái)衡量磨損的速率[23]。由于磨損的復(fù)雜性，目前尚未有統(tǒng)一的理論解釋?zhuān)驗(yàn)榄h(huán)境中每一個(gè)微小變量都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)摩擦磨損體系的變化。Coulomb[24]指出了表面粗糙度對(duì)摩擦因數(shù)的影響；Nayak[25]對(duì)高斯分布各向異性的隨機(jī)表面進(jìn)行研究，抽象出表面的數(shù)學(xué)描述模型；Bengisu等人[21]表達(dá)了宏觀摩擦力與表面微觀尺度之間的關(guān)系，研究出一套考慮了變形和表面微凸體粘結(jié)的模型，并指出宏觀摩擦力與微觀力之間的關(guān)系與微觀形貌下“實(shí)際接觸”的表面相關(guān)；Sedlacek等人[26]發(fā)現(xiàn)在干摩擦的情況下，表面粗糙度越低，相對(duì)的摩擦因數(shù)也越低，而在濕摩擦的情況下，隨著表面粗糙度的降低，摩擦因數(shù)先降低后增加，表明了不同的摩擦磨損機(jī)理；Meng等人[27]指出，控制表面粗糙度有助于實(shí)現(xiàn)更好的金屬-金屬密封，同時(shí)，當(dāng)表面的接觸面積增大時(shí)，接觸壓力降低，從而產(chǎn)生更均勻的膜厚；Shafiei和Alpas[28]則通過(guò)試驗(yàn)表明，滑移速度增大時(shí)摩擦因數(shù)也隨之增大；Farhat等人[29]則研究了納米晶體鋁材料中晶粒度與摩擦因數(shù)的關(guān)系，指出隨著晶粒度降低，摩擦因數(shù)也隨之降低，并且隨著滑移距離的增大，磨損量在一定滑移距離后維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。

在有潤(rùn)滑油的情況下，根據(jù)Stribeck曲線(xiàn)，可定義4類(lèi)潤(rùn)滑模式：邊界潤(rùn)滑(或稱(chēng)薄膜潤(rùn)滑)、混合潤(rùn)滑、彈性流體潤(rùn)滑及流體動(dòng)壓潤(rùn)滑[30]，如圖 2所示。從中可見(jiàn)不同潤(rùn)滑模式下摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖2　Stribeck曲線(xiàn)中潤(rùn)滑狀態(tài)與摩擦因數(shù)的關(guān)系

為保證油井管在實(shí)際工況與現(xiàn)場(chǎng)使用的性能，上扣轉(zhuǎn)矩是非常重要的參數(shù)，而上扣轉(zhuǎn)矩的計(jì)算取決于摩擦因數(shù)的值。根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)和推薦做法，通常將摩擦因數(shù)視為常數(shù)。但實(shí)際上不同的潤(rùn)滑狀態(tài)、接觸壓力、滑移速度(即上扣速度)、滑移距離(即上扣次數(shù))和螺紋表面粗糙度都會(huì)對(duì)摩擦副產(chǎn)生影響；不同表面在不同狀態(tài)下的摩擦因數(shù)是不一致的。目前，摩擦因數(shù)值計(jì)算的上扣轉(zhuǎn)矩也不盡準(zhǔn)確，很可能導(dǎo)致實(shí)際擰接中的過(guò)扭或擰接不足；對(duì)一般的石油管柱而言，上扣轉(zhuǎn)矩的微量偏差不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，但對(duì)于一些高溫、高壓井，上扣轉(zhuǎn)矩不準(zhǔn)確則會(huì)出現(xiàn)更大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至發(fā)生災(zāi)難性事故。因此，應(yīng)更加深入的研究影響摩擦因數(shù)的因素，包括材料及表面性能、螺紋脂性能、接觸壓力、滑移速度、滑移距離以及其他相關(guān)參數(shù)的影響。本文通過(guò)MATLAB建模與仿真，計(jì)算在油氣田現(xiàn)場(chǎng)使用中油井管的摩擦因數(shù)，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算上扣轉(zhuǎn)矩，指導(dǎo)特殊螺紋連接的設(shè)計(jì)，確保油井管在現(xiàn)場(chǎng)的安全使用。

2上扣過(guò)程中磨損拋光效應(yīng)模型

通過(guò)建立上扣過(guò)程中的磨損拋光效應(yīng)模型，分析在摩擦磨損中表面粗糙度以及磨損量的變化。在Archard磨損理論的基礎(chǔ)上，引入了考慮微觀形貌的Christensen模型，通過(guò)MATLAB仿真分析了微觀形貌對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，即“磨損拋光效應(yīng)”使接觸表面的粗糙度降低，從而影響了系統(tǒng)的潤(rùn)滑性能。

2.1基于Archard理論的磨損模型

磨損模型由Archard于1953年提出[31]，Archard采用摩擦表面微凸體粘著結(jié)點(diǎn)為半球狀的簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)接觸表面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生磨損，取決于載荷和材料特點(diǎn)等因素，即

(2)

式中：V是磨損量；s是滑移距離；k是磨損因數(shù)的無(wú)量綱參數(shù)；FN是微凸體承受的正載荷；H是較軟材料的布氏硬度。

由式(2)可知，磨損量與正載荷成正比，與布氏硬度成反比。正壓力越大，接觸壓強(qiáng)越大，材料磨損量越大。對(duì)式( 2 )兩邊時(shí)間求導(dǎo)可得：

(3)

式中：p為載荷壓強(qiáng)；v為滑移速度；dh/dt為單位時(shí)間內(nèi)的磨損深度，即磨損速率。

由式(3)可知，載荷壓強(qiáng)和滑移速度越大、硬度越小時(shí)，磨損速率越大。

考慮到螺紋脂的存在，上扣過(guò)程在微觀層面實(shí)際是表面微凸體和微凹坑中的潤(rùn)滑油之間的作用，因此體現(xiàn)出與宏觀作用不一致的特點(diǎn)。根據(jù)Le等人[32]文獻(xiàn)，接觸中的實(shí)際壓強(qiáng)滿(mǎn)足：

(4)

式中：pa是微凸體間的接觸壓力；pv是微凹坑中潤(rùn)滑油的油壓；Aa是微凸體所占的面積百分比，則1-Aa為微凹坑所占面積百分比。

當(dāng)兩個(gè)粗糙表面接觸時(shí)，其接觸部分具有不連續(xù)性和不均勻性[33]，“實(shí)際”接觸面積只是“名義”接觸面積中的一部分[34]。接觸壓強(qiáng)等于接觸壓力除以接觸面積，實(shí)際情況中的接觸壓力遠(yuǎn)大于按名義接觸面積計(jì)算的接觸壓力。為抽象、簡(jiǎn)化接觸表面的微觀形貌，Christensen[35]引入了基于隨機(jī)函數(shù)的粗糙表面數(shù)學(xué)模型。本文基于該模型，仿真了磨損過(guò)程中實(shí)際接觸壓力的變化。

2.2微凸體的壓扁與潤(rùn)滑油的泄露

根據(jù)Williams的推導(dǎo)[36]，在彈性形變范圍內(nèi)平均壓強(qiáng)為

(5)

當(dāng)引入潤(rùn)滑油時(shí)，基于Hamrock和Dowson的計(jì)算[37]，潤(rùn)滑油的最小膜厚hmin為

(6)

式中：η是潤(rùn)滑油的黏度；u是兩個(gè)相對(duì)滾動(dòng)表面在Hertz接觸區(qū)的平均速度，即為滑移速度的一半。

當(dāng)正壓力W提高時(shí)，油層厚度下降，從而導(dǎo)致微凸體間真實(shí)接觸面積的提高。

潤(rùn)滑膜的厚度直接影響了潤(rùn)滑狀態(tài)，但不能只考慮潤(rùn)滑膜的厚度，還必須考慮表面粗糙度的影響，只有潤(rùn)滑膜的厚度大于微凸體高度時(shí)，才能起到相應(yīng)的潤(rùn)滑效果。為分析表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑特性的影響，定義膜厚比Λ為膜厚與摩擦副表面復(fù)合粗糙度的比值[22]。

(7)

式中：Rq，1與Rq，2分別為2個(gè)接觸摩擦副的粗糙度。

通常認(rèn)為，當(dāng)Λ>3時(shí)，油層厚度大于表面平均粗糙度，因此2接觸表面之間被油層隔離開(kāi)，為流體潤(rùn)滑狀態(tài)；當(dāng)Λ<0.3時(shí)，由于油層厚度過(guò)低，兩接觸表面上的微凸體之間接觸較多，邊界潤(rùn)滑狀態(tài)占主導(dǎo)。實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)得的Λ分布于0.3～0.7[38]。為簡(jiǎn)化分析，本文認(rèn)為帶螺紋脂的上扣過(guò)程中以邊界潤(rùn)滑狀態(tài)為主。

根據(jù)Patir和Cheng[39]的通用流量模型，可模擬表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。定義qx為潤(rùn)滑油在單位長(zhǎng)度上向接觸單元外部的泄露流量。假設(shè)接觸單元為半徑為a的圓形，接觸單元中的圓圈代表露出的微凸體區(qū)域，如圖3所示。

圖3　接觸單元示意

考慮到滑移速度較低，qx主要由壓力梯度驅(qū)動(dòng)，即：

(8)

式中：ht為平均油層厚度；Φx為流量因數(shù)，Φx的計(jì)算公式由Li[40]給出。

(9)

Htc=3[(1-(0.474 76/γ)+1)-0.250 07]

(10)

a2=0.051 375(ln(9γ))3-0.007 190 1(ln(9γ))4

(11)

a3=1.001 9-0.179 27ln(γ)+

(0.047 583ln(γ))2-(0.016 417ln(γ))3

(12)

式中：γ為表面粗糙度的Peklenik因數(shù)；Ht為平均油層厚度ht與表面粗糙度均方根的比值；Htc是泄露閾值，表示磨損后殘留微凸體高度與原始表面微凸體高度間的比值。

為簡(jiǎn)化模型，可認(rèn)為微凹坑中潤(rùn)滑油的流體靜壓力梯度dpv/dx=pv/a。則

(13)

假設(shè)表面粗糙度是各向同性的，因此，泄露流量是軸對(duì)稱(chēng)的，接觸單元中潤(rùn)滑油體積的流出量滿(mǎn)足式(14)。

(14)

接觸單元中油層體積的減少量與磨損造成的微凸體高度的降低量有關(guān)。

由式(3)可得：

(15)

式(14)～(15)聯(lián)立可得：

(16)

伴隨著滑移距離的增大和磨損的加劇，微凹坑中的壓力會(huì)逐步增大。聯(lián)立式(4)、式(15)和式(16)，在MATLAB仿真的連續(xù)條件下求解，可獲得ht的變化量、微凸體接觸面積比Aa、微凹坑油壓pv和微凸體接觸壓力pa與滑行距離的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4　微凸體壓力、微凹坑壓力與滑移距離的關(guān)系曲線(xiàn)

微凸體接觸壓力和微凹坑油層壓力隨滑行距離的關(guān)系，起始階段前者壓力顯著高于后者，但隨著滑移距離的增大，微凸體被逐步磨平，微凸體接觸壓力逐步降低，并且隨著這一過(guò)程更多的油層被泄露出去，從而油層壓力逐步提高，直到大約滑移距離超過(guò)0.072 m時(shí)，油層壓力高于微凸體壓力。

摩擦磨損過(guò)程中微觀形貌與滑移距離的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。反映了隨著磨損的進(jìn)行，微觀形貌的變化趨勢(shì)。圖5a為微凸體被逐步磨平的過(guò)程，磨損進(jìn)行到一定程度后，微凸體高度變化的速度逐步降低，最后趨于平穩(wěn)；圖5b表示隨著滑移距離的增大，由于微凸體高度降低，實(shí)際接觸面積比逐漸增大，并最終趨于平穩(wěn)。在磨損開(kāi)始前，表面認(rèn)為是各向異性的，此時(shí)可認(rèn)為Peklenik因數(shù)γ約為3；磨損后，表面的同質(zhì)化更明顯，因而Peklenik因數(shù)γ在磨損后逐漸趨向于1。

仿真得出的表面粗糙度Rq隨滑移距離的變化曲線(xiàn)如圖 6所示。隨著磨損的進(jìn)行，微凸體高度逐步降低，因此表面粗糙度也隨之降低，因此稱(chēng)之為“磨損拋光效應(yīng)”。根據(jù)仿真的結(jié)果，Rq由起始的2.8 μm下降到最終穩(wěn)定時(shí)的約1.1 μm，這是因?yàn)槲⑼贵w磨損導(dǎo)致微凹坑中的油壓上升，從而抑制了微凸體的進(jìn)一步磨損，最終Rq相對(duì)穩(wěn)定。

b　接觸面積比

圖6　摩擦磨損過(guò)程中表面粗糙度與滑移距離的變化曲線(xiàn)

3摩擦模型

Sutcliffe等人[41]分析了粗糙表面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面參數(shù)與各壓強(qiáng)的關(guān)系。滑移過(guò)程中微凹坑及壓力分布的變化如圖7所示。

a　微凹坑在獨(dú)立狀態(tài)下受均勻壓強(qiáng)作用

b　摩擦磨損下潤(rùn)滑油重新分布導(dǎo)致的壓強(qiáng)分布

根據(jù)Sutcliffe等人[41]的推導(dǎo)，填充部分的油層厚度h1為

(17)

摩擦因數(shù)由微凸體上的摩擦因數(shù)與微凹坑內(nèi)油層的摩擦因數(shù)2部分組成。由于油層摩擦因數(shù)較微凸體上的摩擦因數(shù)很小，可忽略不計(jì)。

μ=Apμp

(18)

式中：μp為微凸體上的摩擦因數(shù)，由金屬對(duì)金屬的直接接觸摩擦和帶薄膜潤(rùn)滑的邊界潤(rùn)滑摩擦2部分組成，二者的權(quán)重分別是2種摩擦對(duì)應(yīng)的面積比率Ar和1-Ar，因此：

μP=Arμb+(1-Ar)μv

(19)

式中：Ar同時(shí)取決于潤(rùn)滑油的厚度和表面粗糙度；μb是金屬對(duì)金屬摩擦因數(shù)，為常數(shù)；μv為邊界潤(rùn)滑部分的摩擦因數(shù)，通過(guò)Eyring方程進(jìn)行計(jì)算。

(20)

式中：τ0為Erying潤(rùn)滑剪切應(yīng)力；h1為填充部分的油層厚度，h1遠(yuǎn)小于微凹坑的縱向深度δ。

為更好地貼近實(shí)際工況，還需做進(jìn)一步簡(jiǎn)化與假設(shè)。第一，假設(shè)滑移過(guò)程中的磨損是適度的，既不過(guò)于嚴(yán)重，也不過(guò)于溫和，前者對(duì)應(yīng)的磨損因數(shù)k大約在1×10-6量級(jí)，后者對(duì)應(yīng)k在1×10-2量級(jí)，本文取k=3×10-4。第二，假設(shè)金屬對(duì)金屬摩擦因數(shù)μb為0.6[22]。第三，假設(shè)螺紋脂的黏度約為50 Pa·s。第四，Erying潤(rùn)滑剪切應(yīng)力取值2 MPa[42]。第五，微凸體面積率Ap、接觸半徑R、維氏硬度H、微凹坑角度θ等值均取自實(shí)際試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果[38]。第六，承載載荷W、工件表面粗糙度Rq、滑移速率v作為本文研究的變量，通過(guò)選取不同的值考查這些參量變化對(duì)摩擦因數(shù)的影響。仿真模型參數(shù)如表 1所示。

表1　仿真模型參數(shù)

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，滑移過(guò)程中摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)如圖 8所示。經(jīng)過(guò)約0.1 m的滑移距離，摩擦因數(shù)由最初的0.17下降到0.15，下降率約為12%，隨后摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.15附近。

圖8　滑移過(guò)程中摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)

綜上所述，本文基于一定的模型簡(jiǎn)化，根據(jù)基于表面粗糙度的微凹坑潤(rùn)滑模型，估計(jì)了微凸體接觸面積，進(jìn)而計(jì)算了摩擦因數(shù)的值，并給出了伴隨著上扣過(guò)程中微凸體磨損導(dǎo)致的摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)一致。

4結(jié)論

1)摩擦因數(shù)的大小對(duì)于計(jì)算合理的上扣轉(zhuǎn)矩是非常重要的，而摩擦因數(shù)的數(shù)值取決于復(fù)雜的摩擦磨損系統(tǒng)，這一系統(tǒng)中任何微小變量的改變都將造成摩擦因數(shù)的變化。

2)API雖然給出了摩擦因數(shù)的推薦值，但API對(duì)該推薦值過(guò)于簡(jiǎn)化，不同表面特性、不同材料下的摩擦因數(shù)都認(rèn)為是一致的，并且在后續(xù)第2次乃至多次上扣過(guò)程中，該值也被認(rèn)為是常數(shù)，因此推薦上扣轉(zhuǎn)矩也是恒定的。不同的潤(rùn)滑狀態(tài)、接觸壓力、上扣速度、上扣次數(shù)、表面性能以及潤(rùn)滑脂的性能都會(huì)對(duì)摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響，上扣轉(zhuǎn)矩的推薦值也存在一定偏差，在實(shí)際操作中存在轉(zhuǎn)矩過(guò)大或轉(zhuǎn)矩不足的風(fēng)險(xiǎn)。

3)同樣的工況下，摩擦因數(shù)并不是恒定不變的，它受到多方面的影響，且隨上扣過(guò)程逐步下降。在本算例中，經(jīng)過(guò)約0.1 m的滑移距離后，微凸體高度逐步下降，接觸面積比隨之增高，表面粗糙度從起始的2.8 μm下降到約1.1 μm；在這個(gè)過(guò)程中，摩擦因數(shù)由起始值0.17下降到穩(wěn)定值0.15。這是由于在上扣過(guò)程中，“磨損拋光效應(yīng)”導(dǎo)致了表面粗糙度的降低，從而獲得了更好的潤(rùn)滑條件。

4)不論是API標(biāo)準(zhǔn)，還是各特殊螺紋生產(chǎn)商，都應(yīng)核實(shí)更精確的摩擦因數(shù)，從而確保上扣轉(zhuǎn)矩值的合理計(jì)算。此外，除了本文考慮的諸多因素外，還有其他環(huán)境變量也會(huì)影響摩擦因數(shù)的大小，例如上扣現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)摩擦磨損系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這也應(yīng)當(dāng)納入未來(lái)的研究方向。

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Theoretically Modeling of Coefficient of Friction Influenced by Frictional Wear during the Make-up of OCTG

CAO Shan，GAO Jinwei，KONG Xiangling，DANG Min，YAN Baichen

(ChinaPetroleumTechnologyandDevelopmentCorporation，Beijing100028，China)

Abstract：A pre-defined torque value is required in the rig site operation for both the API and premium connections.The torque value is calculated using the coefficient of friction (CoF) between the two surfaces.However，the existing estimation to the CoF comes from empirical data and is usually considered as a constant.This may be inaccurate due to the variation of surface and operation conditions.Therefore，it might lead to over or under torque of the connections，especially in the high pressure high temperature wells.Therefore，a theoretical approach was taken to correlate the surface topography，roughness and CoF with sliding distance.Because of the micro burnishing during the make-up process，CoF is gradually reduced and be steady at about 88% of the initial value.The results help to understand how friction is related to external circumstances in the operation of OCTG connections.

Keywords：OCTG；torque；thread；coefficient of friction

中圖分類(lèi)號(hào)：TE931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.006

作者簡(jiǎn)介：曹杉(1986-)，男，北京人，主要從事油井管研究，E-mail：caos@cptdc.cnpc.com.cn。

收稿日期：①2015-09-29

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0025-08