鉆桿接頭抗粘扣性能試驗研究

李曉暉，呂拴錄，李艷麗，王克虎，常吉星，滿國祥，朱立強，鮑華雷

(1.石家莊探礦機械廠 河北 石家莊 050081；2.中國石油大學材料科學與工程系 北京 102249)

·試驗研究·

鉆桿接頭抗粘扣性能試驗研究

李曉暉1，呂拴錄2，李艷麗1，王克虎1，常吉星1，滿國祥1，朱立強1，鮑華雷1

(1.石家莊探礦機械廠 河北 石家莊 050081；2.中國石油大學材料科學與工程系 北京 102249)

為了掌握不同熱處理方式對鉆桿螺紋接頭抗粘扣性能的影響，對采用調質處理、調質+高頻淬火、調質+等離子淬火的鉆桿接頭按照API RP 7G規定的最大上扣扭矩進行了上卸扣試驗。試驗結果表明，增加高頻淬火和等離子淬火工序并不能改善鉆桿接頭抗粘扣性能。螺紋接頭尺寸精度是影響接頭抗粘扣性能的主要因素之一，對鉆桿接頭螺紋表面進行高頻淬火和等離子淬火雖然可以提高接頭螺紋表面硬度，但卻會使螺紋接頭產生變形，最終并不能提高鉆桿螺紋接頭抗粘扣性能。

鉆桿接頭；粘扣；上卸扣試驗；高頻淬火；等離子淬火

0 引 言

鉆柱是由鉆桿等鉆具通過螺紋接頭連接而構成的。在鉆井過程中需要多次起下鉆,這就

要求鉆具接頭應能反復上卸扣,并具有良好的抗粘扣性能。我國油田曾發生多起鉆具螺紋接頭粘扣事故，造成了較大的經濟損失[1]。鉆具螺紋接頭粘扣既與螺紋接頭加工精度、熱處理質量和表面處理質量等有關，也與使用操作有關，是一個復雜的系統工程問題。一旦發生鉆具螺紋接頭粘扣事故，生產廠和用戶經常發生爭執，但卻很難定論。為了掌握不同熱處理方式對鉆桿螺紋接頭抗粘扣性能的影響，本文對采用調質處理、調質+高頻淬火和調質+等離子淬火的鉆桿接頭按照API RP 7G規定的最大上扣扭矩進行了上卸扣試驗。

1 上卸扣試驗

1.1 上卸扣試驗液壓鉗及參數

采用鉆桿液壓鉗進行上卸扣試驗。首先用人工將內外螺紋接頭水平對扣和引扣之后，再采用鉆桿液壓大鉗豎直上卸扣。上扣扭矩按照API RP 7G規定的最大扭矩執行，轉速采用低檔(見表1)。

1.2 上卸扣試驗結果

1.2.1 螺紋參數及尺寸

試樣螺紋參數及幾何尺寸測量結果見表2。試樣螺紋參數及幾何尺寸測量符合API Spec 5DP和API Spec 7-2。

1.2.2 上卸扣試驗

上卸扣試驗結果見表3，上卸扣后的螺紋表面形貌如圖1和圖2所示。

表1 上卸扣試驗參數

表2 試樣螺紋參數及幾何尺寸測量結果

表3 上卸扣試驗結果

備注：內螺紋接頭承載面齒頂凸起實際是承載面靠近齒頂部位或損傷所致。由于內螺紋接頭承載面被遮擋，無法看到承載面粘扣及損傷全貌。

圖1 2-1號試樣第4次上卸扣后外螺紋導向面大端第5扣輕微粘扣

圖2 2-1號試樣螺紋導向面第10次上卸扣后粘扣形貌

2 試驗結果分析

2.1 螺紋接頭粘扣機理

螺紋接頭尺寸精度是決定螺紋接頭抗粘扣性能的主要因素[2-4]。螺紋接頭粘扣實際是內外螺紋配合面金屬由于摩擦干涉，表面溫度急劇上升達到了焊接相變溫度，使內外螺紋表面發生粘結。由于上卸扣過程中內外螺紋有相對位移，粘扣常伴有金屬遷移。粘扣通常表現為粘著磨損，但是如果有沙粒、鐵屑夾在內外螺紋之間，也會形成磨料磨損[5]。

2.2 高頻淬火對螺紋接頭抗粘扣性能的影響

3根127.0 mm G105 NC50接頭( 調質+高頻淬火+磷化)試樣中，分別經過4次、5次和9次上卸扣試驗之后發生粘扣。2根127.0 mm G105 NC50接頭(調質+磷化)試樣中，1根試樣經過3次上卸扣之后發生粘扣，1根試樣經過9次上卸扣試驗之后接頭密封臺肩發生粘結。試驗結果表明，增加高頻淬火工序之后接頭抗粘扣性能并沒有提高。這說明螺紋表面硬度并非是影響螺紋接頭抗粘扣性能的主要因素。螺紋接頭高頻淬火是一種快速加熱淬火方式，淬火之后沒有經過及時回火，必然存在殘余應力和變形[6]。這就會降低螺紋接頭的尺寸精度，不可能提高螺紋接頭的抗粘扣性能。另外，高頻淬火在螺紋表面形成的馬氏體沒有經過充分回火，其硬度雖然很高，但韌性不足，這可能會導致鉆桿接頭發生早期疲勞失效[7]。

2.3 等離子淬火對螺紋接頭抗粘扣性能的影響

127.0 mm S135 NC50接頭(調質+修復+等離子)1根試樣，經過4次上卸扣之后發生粘扣，經過10次上卸扣之后接頭密封臺肩發生粘結。試驗結果表明，采用等離子淬火方式并沒有解決鉆桿接頭粘扣問題。接頭螺紋表面等離子淬火是將等離子弧作為高能量密度的表面熱處理熱源來實現淬火加熱的，并在空氣中自然冷卻淬火[8]。在等離子弧加熱過程中要通過調節噴嘴角度分別對螺紋導向面和承載面進行加熱淬火，對操作工人技能要求特別高，稍不注意，很容易燒傷螺紋表面(如圖3所示)。由于螺紋承載面和導向面淬火加熱時間和馬氏體相變時間不同，經過等離子淬火之后螺紋難免發生變形，這就會降低螺紋接頭的尺寸精度，不可能提高螺紋接頭的抗粘扣性能。另外，等離子淬火在螺紋表面形成的馬氏體沒有經過充分回火，其硬度雖然提高，但韌性卻很差，這實際會降低鉆桿接頭疲勞壽命[9-10]。

圖3 螺紋表面被等離子弧燒傷形貌

3 結論與建議

1)采用高頻淬火和等離子淬火提高接頭螺紋表面硬度的方式并不能提高鉆桿接頭抗粘扣性能；

2)建議提高鉆桿接頭螺紋加工精度。

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Test Investigation on Tool Joint Resisting Galling Capability

LI Xiaohui1, LYU Shuanlu2, LI Yanli1, WANG Kehu1, CHANG Jixing1, MAN Guoxiang1, ZHU Liqiang1, BAO Hualei1

(1.HebeiShitanMachineryMamufactoringCo.Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050081,China;2.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

In order to master the effect of different heat treatment manner on drill pipe tool joint to influence the capability resisting to galling, the make-up and break-out tests were done for the tempering tool joint, tempering+high-frequency induction hardening tool joint, and tempering+plasma arc hardening tool joint in accordance with maximum torque specified in API RP 7G. The test results shows that the thread joint resisting galling capability could not be improved through applying high-frequency induction hardening or plasma arc hardening. The thread dimension precision is considered to be one of most important factor to prevent galling. Although the thread surface hardness could be increased by high-frequency induction hardening or plasma arc hardening, it is accompanied by deformation, so that the resisting galling capability of the tool joint could not be improved.

tool joint; galling; make up and break out test; high-frequency induction hardening; plasma arc hardening

李曉暉，男，1972年生，高級工程師，1995年畢業于河北理工大學機械設計與制造專業，獲學士學位，主要從事鉆探設備及工具研發和質量檢驗工作。E-mail: lvshuanlu@163.com

TE921+.2

A

2096-0077(2017)03-0049-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.010

2016-09-28 編輯：葛明君)