某井特殊螺紋接頭粘扣原因分析

史交齊，姬丙寅，劉　卜，呂慶鋼，王志強

(1.西南石油大學，成都 610500；2.西安三維應力工程技術有限公司，西安 710075；3.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司，成都 610303；4.中石化西北油田分公司 物資供應管理中心，新疆 輪臺 841600)①

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某井特殊螺紋接頭粘扣原因分析

史交齊1，2，姬丙寅2，劉卜3，呂慶鋼4，王志強2

(1.西南石油大學，成都 610500；2.西安三維應力工程技術有限公司，西安 710075；3.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司，成都 610303；4.中石化西北油田分公司 物資供應管理中心，新疆 輪臺 841600)①

摘要：模擬套管工況進行上、卸扣評價試驗。分析計算鍍層對特殊螺紋徑向過盈量影響，認為上、卸扣試驗時背鉗夾持位置和夾持力對接頭抗粘扣性能有顯著影響；鍍層厚度對特殊螺紋接頭上扣性能和密封性能有顯著影響。建議規范作業方式，上、卸扣時背鉗靠近接箍下半部夾持；對于不同的特殊螺紋接頭，選擇合適的涂層厚度。

關鍵詞：套管；螺紋；粘扣；試驗；鍍層厚度

1事故經過

某井?177.8 mm×12.65 mm套管回接作業失敗，現場決定全部起出已下井套管。卸扣時因動力鉗動力不足，卸扣困難，現場使用鉆桿鉗卸扣，且按照2根1柱的方式起出。卸扣后發現接頭螺紋和密封面發生不同程度的粘扣和碰傷，尤其螺紋導向面損傷嚴重，如圖1所示。

圖1　內外螺紋導向面損傷形貌

2上卸扣評價試驗

為了分析套管的粘扣[1-6]原因，對該接頭套管在模擬工況進行上扣、卸扣評價試驗研究。

2.1試驗程序

試驗程序依據API RP 5C5相關規定[7-8]進行，對試樣A端、B端進行各3次上扣、3次卸扣試驗，試驗用轉矩控制。

1)B端試驗步驟。背鉗夾持力調至最大，第1次上、卸扣，背鉗靠近接箍下半部夾持；第2次上、卸扣，背鉗靠近接箍中部夾持；第3次上、卸扣，背鉗靠近接箍上部夾持，如圖2所示。

a　第1次上卸扣夾持下部

b　第2次上卸扣夾持中部

c　第3次上卸扣夾持上部

2)A端試驗步驟。3次上扣時按照正常上扣方式(背鉗靠近接箍下半部夾持)；3次卸扣時背鉗靠近接箍上半部夾持，背鉗夾持力調至最大，螺紋用主鉗完全卸開，如圖3所示。

a　上扣夾持下部

b　卸扣夾持上部

c　螺紋用主鉗完全卸扣后

2.2試驗結果

試樣B端按控制轉矩進行了3次上扣、3次卸扣試驗。第1次上、卸扣試驗，背鉗靠近接箍下半部夾持，背鉗夾持力調至最大，卸扣后內螺紋和外螺紋未出現粘扣現象；第2次上、卸扣試驗，背鉗靠近接箍中部夾持，背鉗夾持力調至最大，卸扣后內螺紋和外螺紋未出現粘扣現象；第3次上、卸扣試驗，背鉗靠近接箍上部夾持，背鉗夾持力調至最大卸扣后內螺紋導向面出現粘扣現象。

試樣A端按控制轉矩進行了3次上扣、3次卸扣試驗。上扣時背鉗靠近接箍下半部夾持，卸扣時背鉗靠接箍上半部夾持，背鉗夾持力調至最大，螺紋用主鉗完全卸開；第1次卸扣后內螺紋和外螺紋未出現粘扣現象；第2次卸扣后內螺紋和外螺紋未出現粘扣現象；第3次卸扣后內螺紋和外螺紋導向面出現粘扣現象，如圖4所示。

圖4　第3次卸扣A端內螺紋形貌

3原因分析

3.1背鉗夾持位置對螺紋上卸扣性能影響

試樣B端按控制轉矩進行第1次背鉗靠近接箍下半部夾持上、卸扣試驗和第2次背鉗靠近接箍中部夾持上、卸扣試驗后，內螺紋和外螺紋均未出現粘扣現象。第3次背鉗靠近接箍上部夾持上、卸扣試驗后，內螺紋導向面出現粘扣現象。試驗結果表明背鉗靠接箍上部夾持對粘扣性能影響較大。為了驗證背鉗靠近接箍上半部夾持對接箍粘扣的影響，試樣A端3次卸扣均按照背鉗靠近接箍上半部夾持進行試驗，同時測量接箍鏜孔直徑，試樣A端按控制轉矩第1次卸扣后經測量接箍端面內徑最大值為180.00 mm，最小值為174.32 mm，二者相差5.68 mm，橢圓度為3.0%；第2次卸扣后經測量接箍端面內徑最大值為180.62 mm，最小值為175.42 mm，二者相差5.20 mm，橢圓度為2.9%；第3次卸扣后經測量接箍端面內徑最大值為180.54 mm，最小值為175.44 mm，二者相差5.10 mm，橢圓度為2.9%。由此可知，背鉗靠近接箍上半部夾持對接箍變形影響較大，易發生接頭粘扣現象。

3.2涂層厚度對特殊螺紋接頭上扣性能影響

為了提高螺紋的抗粘扣性能[9-13]，通常在接箍內表面鍍層，例如磷化、鍍銅、鍍鋅等[14]，而鍍層厚度影響螺紋緊密距及徑向過盈量。對于API偏梯形螺紋[15-16]來說，對緊密距或徑向過盈量影響程度較小。但對于特殊螺紋接頭來說，尤其是“倒鉤”螺紋，鍍層厚度對緊密距或徑向過盈量有顯著影響。

3.2.1鍍層厚度對API 偏梯形螺紋的過盈量影響分析

鍍層厚度對API 偏梯形螺紋引起緊密距折算徑向的變化量如圖5所示。

a　鍍層厚度引起緊密距折算徑向的變化量示意(牙型一)

b　牙型一詳解

由圖5可知，鍍層厚度引起徑向的變化量為

d=h+δ

(1)

式中：d為徑向變化量；δ為鍍層厚度；θ1為導向面角度；θ2為承載面角度。

算例：設導向面角度為10°，承載面角度θ2為3°，則鍍層厚度引起緊密距折算徑向的變化量為

3.2.2涂層厚度對“倒鉤”螺紋接頭的過盈量影響

鍍層厚度對“倒鉤”螺紋接頭引起緊密距折算徑向的變化量如圖6所示。

a　鍍層厚度引起緊密距折算徑向的變化量示意(牙型二)

b　牙型二詳解

由圖6可知：鍍層厚度引起徑向的變化量為

d=h+δ

(2)

由式(2)可得，必須滿足|θ1|>|θ2|，式(2)才能成立。由式(1)～(2)可得，式(2)只有θ1為負角情況下為式(1)，所以式(1)符合所有牙型。因此，鍍層厚度引起緊密距折算徑向的變化量的計算式為

算例：設導向面角度θ1為10°，承載面角度θ2為-3°，則鍍層厚度引起緊密距折算徑向的變化量為

對于偏梯形螺紋接頭來說，不論鍍層厚度如何變化，內外螺紋始終能找到一個平衡位置，使內外螺紋旋合；而對特殊螺紋來說，尤其是“倒鉤”螺紋，涂層厚度對徑向過盈量影響大，是普通API偏梯形螺紋接頭的2倍，內外螺紋旋合時，螺紋接頭的上扣位置會受到影響，進而影響密封性能。為了保證上扣位置和密封性能，勢必需要增大轉矩，進而增大了粘扣的可能性。因此，對于特殊螺紋接頭，尤其是“倒鉤”螺紋，涂層厚度的選擇尤為重要。

4結論

1)上、卸扣試驗時背鉗夾持位置和夾持力對接頭抗粘扣性能有顯著影響。建議規范作業方式，上、卸扣時背鉗靠近接箍下半部夾持。

2)鍍層厚度對特殊螺紋接頭上扣性能和密封性能有顯著影響，建議對于不同的特殊螺紋接頭，選擇合適的涂層厚度。

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Cause Analysis on Galling of Premium Connection

SHI Jiaoqi1，2，JI Bingyin2，LIU Bo3，LYU Qinggang4，WANG Zhiqiang2

(1.SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.Xi’anServStressEngineeringTechnologyServiceCo.，Ltd.，Xi’an710075，China；3.PanchengYihongPipeCo.，Ltd.，Chendu610303，China；4.EquipmentSupplyCentre，NorthwestExplorationBureau，SINOPEC，Luntai841600，China)

Abstract：An investigation and failure analysis on galling of premium thread casing are given in this paper.The analysis contents include makeup/breakout test and theory calculation on coating for thread interference.It is considered that blessing position and blessing force has a significant impact on anti-galling performance of connection.It was suggested that standard operation should be recommended with reasonable blessing position and blessing force.It is considered that coating has a significant impact on thread interference.It was suggested that standard operation with reasonable coating layer thickness；should be selected.

Keywords：casing；thread；galling；test；coating layer thickness

中圖分類號：TE931.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.014

作者簡介：史交齊(1965-)，男，內蒙古和林人，高級工程師，博士研究生，主要從事石油管材技術研究。

收稿日期：①2015-08-29

文章編號：1001-3482(2016)03-0062-04