油套管上卸扣扭矩準(zhǔn)確度的影響因素及改善措施

王一岑， 苑清英， 符利兵，劉新成，張 俊

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽111000）

油套管上卸扣扭矩準(zhǔn)確度的影響因素及改善措施

王一岑1,2， 苑清英1,2， 符利兵1,2，劉新成1,2，張 俊1,3

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽111000）

上卸扣扭矩是提高油套管螺紋連接性能的重要因素，為了更準(zhǔn)確地檢測上扣扭矩，提高上扣質(zhì)量，分析了上卸扣過程中傳感器精度、整機精度以及采集精度等對上卸扣扭矩的影響，并對2種規(guī)格的4組樣管進行上扣對比試驗。結(jié)果表明，通過改變校準(zhǔn)方法及采樣頻率等可降低上扣扭矩的離散型及不準(zhǔn)確度。最后建議在油套管上扣過程中，采用6個及以上鉗牙上扣，均勻夾持接箍，并將背鉗調(diào)制在水平位置進行上卸扣，可以提高上扣質(zhì)量，保證油套管螺紋連接的強度。

油套管；上卸扣；扭矩；螺紋連接；扭矩準(zhǔn)確性；傳感器精度；整機精度；采集精度

Abstract:The screw-on-off torque is an important factor of improving the performance of oil casing thread connection,in order to detect the screw-on torque and increase the screw-on quality,it analyzed the influence of sensor accuracy,the whole machine accuracy,acquisition accuracy and other factors on screw-on torque,and the contrast experiment was carried out for four groups sample tubes(two kinds of specifications).The results showed that the discreteness and inaccuracy of screw-on torque were reduced by changing the calibration method and sampling frequency.Finally it suggested should adopt 6 or more jaws screw-on,uniformly clamping coupling,and modulate back-up wrench in a horizontal position to carry out screw-on-off,can improve the quality of the screw-on,and ensure the strength of the oil casing thread connection.

Key words:casing and tubing;screw-on-off;torque;screw connection;torque accuracy;sensor precision;whole machine accuracy;acquisition precision

石油鉆采行業(yè)中，油套管的主要連接方式為螺紋連接，螺紋連接性能直接影響到油套管的連接性能和密封性能。油套管接頭連接強度是靠內(nèi)、外螺紋牙齒側(cè)面彈性配合來實現(xiàn)的。油氣井發(fā)生泄露等事故的原因大都是由于油套管螺紋發(fā)生粘扣，造成螺紋連接強度降低、螺紋密封面損壞、密封性能下降等。因此，上卸扣的質(zhì)量直接影響到油套管螺紋的使用性能。美國石油協(xié)會及我國國家標(biāo)準(zhǔn)對不同規(guī)格、不同鋼級的油套管上扣均給出了嚴(yán)格的扭矩要求。如果上扣扭矩過高，就會增加螺紋損壞、粘扣的幾率；如果上扣扭矩不足，則會導(dǎo)致滑脫、泄漏等現(xiàn)象[1-3]。因此要保證內(nèi)、外螺紋最佳連接性能，提高上扣扭矩控制的準(zhǔn)確度十分重要。

1 油套管上卸扣設(shè)備工作原理

1.1 主鉗、背鉗工作原理

上卸扣設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。上卸扣設(shè)備動力由液壓站提供，通過換向閥實現(xiàn)上扣、卸扣。背鉗、主鉗均為開口式，通過液壓系統(tǒng)提供壓力。背鉗浮動，在上扣過程中隨絲扣移動，油壓驅(qū)動油缸將動力傳給背鉗的顎板及鉗牙，使得顎板及鉗牙靠近樣管將其夾緊。主鉗固定，不隨上扣過程移動。當(dāng)主鉗轉(zhuǎn)動時，液壓馬達(dá)驅(qū)動大齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動主鉗上轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得顎板在曲面上爬坡，進而抱緊樣管。

圖1 上卸扣設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 扭矩控制原理

最早國內(nèi)開發(fā)的幾種接箍擰接機漏油問題嚴(yán)重，且扭矩是通過測定液壓馬達(dá)的油壓來進行換算的。由于液壓系統(tǒng)的效率不高，因此就不能準(zhǔn)確地測量出實際的扭矩值[4]，并且每次需要調(diào)整限壓閥以避免扭矩過大。目前上卸扣設(shè)備主要是依靠背鉗上的壓式傳感器進行扭矩采集，壓式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器采用皮瓦與油腔相連，壓墊通過螺絲固定皮瓦，壓蓋通過螺絲與油腔固定。在上扣過程中，主鉗旋轉(zhuǎn)帶動浮動背鉗，背鉗將力施加到傳感器上，壓蓋壓動皮瓦產(chǎn)生壓力。通過測量上卸扣設(shè)備的背鉗力臂進而計算出扭矩，這樣就有效避免了液壓系統(tǒng)傳動效率所引起的誤差，提高了采集扭矩的精確度。

圖2 壓式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 圈速記錄

圈速是通過固定在主鉗上的編碼器來采集的，通過編碼器下端齒輪與主鉗大齒輪相連實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，計算齒輪之間的比值，將比值輸入到軟件中，編碼器每旋轉(zhuǎn)一次就會產(chǎn)生一個脈沖信號，控制系統(tǒng)將采集到的信號轉(zhuǎn)換為圈速。采集精度可滿足標(biāo)準(zhǔn)1‰圈要求。

2 計算油套管上卸扣扭矩的重要性

如果油套管上卸扣扭矩計算不準(zhǔn)確，就會直接影響螺紋的連接質(zhì)量。扭矩過小會導(dǎo)致螺紋上扣不到位，影響使用性能；而扭矩過大容易造成螺紋表面變形或者出現(xiàn)損傷導(dǎo)致粘扣。粘扣一般是由于螺紋的接觸應(yīng)力過大而引起的，接觸應(yīng)力與上扣扭矩及幾何約束過盈有關(guān)[5]。幾何約束過盈主要是由于接箍與管子螺紋配合及加工公差、螺紋鍍層厚度等因素的影響。上扣扭矩一般采用Lame公式計算[6]。

式中：T—上扣扭矩；

Pc—接觸應(yīng)力；

μ—摩擦系數(shù)；

R—螺紋嚙合處的公稱節(jié)圓半徑；

L—螺紋軸向嚙合長度。

油套管接箍與管體之間的螺紋相互作用所產(chǎn)生的摩擦力f公式為[7]

通過公式（1）可以看出，當(dāng)接觸應(yīng)力Pc一定時，扭矩越大，螺紋軸向嚙合長度越長，也就是說在高扭矩及低扭矩的情況下，雖然接觸應(yīng)力相等，但由于高扭矩螺紋行走的位移比低扭矩時要長，因此螺紋之間做的功也比較大。當(dāng)螺紋軸向嚙合長度一定時，高扭矩螺紋的接觸應(yīng)力要比低扭矩大，同時螺紋間克服摩擦力做的功也隨著接觸應(yīng)力的增大而增大。可見上扣扭矩是影響螺紋粘扣的重要因素。

3 油套管上卸扣扭矩的影響因素

3.1 傳感器精度

傳感器的精度直接決定著扭矩值的準(zhǔn)確性，因此傳感器自身標(biāo)定十分重要。一體式上卸扣設(shè)備的壓力式扭矩傳感器采集的是油壓信號。傳感器的校準(zhǔn)過程如圖3所示，首先測量壓力式扭矩傳感器的截面積V，并根據(jù)F=p/V計算出壓力p與力F的關(guān)系，得到標(biāo)準(zhǔn)壓力值，然后施加外力，并用精密壓力表檢測取得實際壓力值，將實際壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值進行比對，得出傳遞誤差，進而確定力與壓力的準(zhǔn)確值。壓力式扭矩傳感器校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

圖3 傳感器校準(zhǔn)過程示意圖

3.2 整機精度

上卸扣設(shè)備由于機械傳動系統(tǒng)存在磨損，而這一變化過程是漸進的，所以應(yīng)對設(shè)備定期進行扭矩校準(zhǔn)，本研究推薦了一種校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)。整機校準(zhǔn)過程如圖4所示，校準(zhǔn)系統(tǒng)包括傳感器、油管、電磁閥、壓力表、壓力變送器、數(shù)顯扭矩顯示器。壓力式扭矩傳感器通過油管與壓力表及壓力變送器連接，壓力變送器與數(shù)顯扭矩顯示器通過屏蔽電纜相連，電磁閥與數(shù)顯扭矩顯示器通過屏蔽電纜相連。

表1 壓力式扭矩傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

圖4 整機校準(zhǔn)過程示意圖

測量樣管到傳感器的距離，計算出壓力值與扭矩值的關(guān)系，根據(jù)公式（3）將扭矩值與壓力變送器電壓V的對應(yīng)關(guān)系K設(shè)定到數(shù)顯扭矩顯示器的數(shù)據(jù)采集器中，當(dāng)有外力施加到壓力式扭矩傳感器時，壓力p通過油管傳到壓力表及壓力變送器，壓力變送器將數(shù)模轉(zhuǎn)換信號傳到數(shù)顯扭矩顯示器最終將扭矩值顯示出來。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定扭矩值時控制單元觸發(fā)電磁閥關(guān)閉，油管內(nèi)壓力保持不變，觀察壓力表示值與扭矩顯示器示值并進行對比修正，當(dāng)扭矩值出現(xiàn)零點漂移時，需對數(shù)顯扭矩顯示器的零點系數(shù)進行重新校準(zhǔn)；個別點出現(xiàn)扭矩偏移時，應(yīng)重新計算該點的扭矩值，并修改對應(yīng)系數(shù)，進而得到準(zhǔn)確的扭矩值。

式中：A—扭矩對應(yīng)的V值；

K—單位壓力的V值；

x—p值；

B—數(shù)字信號的零點V值。

3.3 控制精度

雖然傳感器精度已達(dá)到1%的要求，但實際上扣扭矩誤差要大于1%甚至更高。按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 13679要求，若指定使用高扭矩，則最大扭矩的95%或更高是可接受的。當(dāng)指定使用低扭矩時，最小扭矩的105%或更低扭矩是允許的[8]。可見，標(biāo)準(zhǔn)對上扣總扭矩提出5%的誤差限制，這是因為在實際操作中扭矩誤差除傳感器誤差外還與控制精度有關(guān)。上卸扣擰接機扭矩控制是通過泄壓閥來完成的，泄壓閥未通電時，無電磁力，關(guān)閉件在彈簧的作用下壓在閥座上；通電時，電磁線圈產(chǎn)生的電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開。泄壓閥在上卸扣過程中起了很重要的作用，它是連接在進油口與回油口之間，當(dāng)扭矩到達(dá)設(shè)定扭矩時，工控機發(fā)出電壓信號觸發(fā)泄壓閥開通，壓力降為零工作停止。

控制精度主要與上扣速度和采樣頻率有關(guān)。

（1）上扣速度。API RP 5C1[9]要求上扣速度應(yīng)小于25 r/min。上扣速度過快會使螺紋間溫度過高，加劇螺紋的連接粘扣失效。試驗結(jié)果表明，當(dāng)接箍表面溫度超過60℃時，螺紋處可能已經(jīng)發(fā)生粘扣，即使扭矩達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，但是余扣數(shù)、緊扣全數(shù)等卻不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[10-11]，導(dǎo)致螺紋連接及密封性能降低。另外，泄壓閥存在響應(yīng)延時，上扣速度過快時泄壓閥因來不及響應(yīng)而導(dǎo)致誤差。因此，上扣速度慢，泄壓閥響應(yīng)速度快時檢測的扭矩值更為準(zhǔn)確。

圖5 油套管上扣對比試驗結(jié)果

（2）采樣頻率。采樣頻率（Hz）等于掃描速率乘以采樣點。上扣連接過程中掃描速率為500次/s的信號輸入，每個數(shù)據(jù)采樣點都是五個樣本的平均值。當(dāng)扭矩變化量大時，掃描速率小會使得數(shù)據(jù)采集不能準(zhǔn)確反映實際扭矩的變化，因此泄壓閥得到指令時的電壓信號的誤差也相對較大，最終導(dǎo)致扭矩偏差過大。因此要提高精度就要相應(yīng)提高采樣頻率。

4 油套管上扣對比試驗

根據(jù)上述辦法，進行油套管上扣對比試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。試驗時，分別取Φ244mm×10.03 mm 的 N80－1套管、Φ139.7 mm×9.17 mm的N80套管各12根，每6根分為一組進行上扣比對試驗。第一組上扣條件為速度10 r/min，電磁閥響應(yīng)速度20 ms，采樣頻率600 Hz；第二組上扣條件為上扣速度5 r/min，電磁閥響應(yīng)速度1 ms，采樣頻率1 000 Hz。扭矩均為最大扭矩值，扭矩參考GB 17745標(biāo)準(zhǔn)。試驗結(jié)果表明，第二組上扣扭矩離散型及誤差均優(yōu)于第一組。可見優(yōu)化傳感器及控制精度可提高扭矩的準(zhǔn)確值。

5 油套管上卸扣設(shè)備操作建議

（1）背鉗的選擇及背鉗夾持力。目前上卸扣設(shè)備中背鉗每一個顎板固定2個鉗牙。有限元分析結(jié)果表明，采用6個鉗牙上扣時管子截面的等效應(yīng)力均比采用4個鉗牙上扣時低。實際驗證結(jié)果表明，采用4個鉗牙對油套管進行上卸扣，發(fā)現(xiàn)接箍在試驗后變形量為0.3～0.5 mm[12]，變形后螺紋接觸應(yīng)力會増大，影響上扣扭矩以至粘扣。而采用6個及以上鉗牙上扣時，均勻夾持接箍，會有效的降低等效應(yīng)力，提高了上扣質(zhì)量。

（2）夾持位置及背鉗夾持力。實驗及有限元模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背鉗夾持工廠端時，螺紋間等效應(yīng)力及接觸應(yīng)力值較小，夾持位置偏于現(xiàn)場端時接觸應(yīng)力變大，這是由于夾持力的存在，影響接箍彈性變形[13]。因此夾持位置應(yīng)盡量靠近工廠端，同時建議在現(xiàn)場端上扣時放置襯管。由于上卸扣設(shè)備主鉗為主動鉗，背鉗為被動鉗，上扣扭矩通過主鉗旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，主鉗動力與背鉗夾持力應(yīng)該相等。如果主鉗動力大而夾持力小就會打滑，不僅會劃傷管體表面，而且扭矩也會不夠；而背鉗持力過大會導(dǎo)致螺紋間的接觸應(yīng)力増大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致接箍變形，按照規(guī)定扭矩值上扣時會出現(xiàn)外露扣多的情況，導(dǎo)致螺紋粘扣影響螺紋連接強度。因此，采用背鉗固定夾持力進行夾持時，應(yīng)采用公式（4）來計算設(shè)備的夾持力與上扣扭矩[14]。

式中：T—扭矩；

Q—壓力差；

V—主鉗液壓馬達(dá)流量；

η—機械效率；

K—主動輪與從動輪的比值系數(shù)。

（3）水平對中。由于一體式上卸扣設(shè)備背鉗隨上扣過程浮動，在夾緊管子時，由于管子的自重會使得背鉗傾斜，增加了力臂長度，影響上扣扭矩。同時由于在采用機械上緊時，螺紋連接尚處于松動狀態(tài)，背鉗傾斜使得內(nèi)外螺紋不同心形成偏口現(xiàn)象[15]，這時主鉗夾緊上扣會導(dǎo)致接觸應(yīng)力不均勻、螺紋錯口等現(xiàn)象導(dǎo)致粘扣。因此建議應(yīng)在背鉗放置水平尺，將背鉗調(diào)制在水平位置進行上、卸扣。

6 結(jié)束語

油套管上卸扣扭矩準(zhǔn)確性主要與設(shè)備精度、傳感精度及控制精度有關(guān)，通過試驗證明提高精度可使得最終上扣扭矩的誤差及離散型降低。建議上扣時采用6個及以上鉗牙上扣，均勻夾持接箍，并將背鉗調(diào)制在水平位置進行上、卸扣，以提高上扣質(zhì)量。

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Torque Accuracy Influence Factors and Improvement Measures of Casing and Tubing Screw-on-off

WANG Yicen1,2,YUAN Qingying1,2,FU Libing1,2,LIU Xincheng1,2,ZHANG Jun1,3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.BSG Group Liaoyang Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Liaoyang 111000,Liaoning,China）

TE931.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.011

2016-08-23

編輯：羅 剛

王一岑（1986—），男，本科，工程師，目前主要從事無損檢測工作。