某油田N80钢级长圆螺纹套管螺纹黏结原因分析

杨富荣，薛自建，韩 旭，苏金洋，董茂新，张守长，金 冬，史东辉

（渤海装备第一机械厂，河北 青县 062658）

在油套管的检验和使用中，螺纹黏结是最常见的损伤失效形式，油套管一旦发生螺纹黏结将直接影响套管的密封性能和连接强度，从而产生套管柱的脱落或泄漏，影响油井的正常生产，造成巨大的经济损失［1-3］。因此，套管螺纹黏结性能是考核、衡量套管产品质量水平的重要性能指标。本文通过对套管性能、螺纹参数及表面处理的分析，找出了某批Φ244.48mm×10.03 mm规格N80钢级长圆螺纹套管螺纹黏结原因。

1 螺纹黏结实例

某套管加工厂生产的一批Φ244.48 mm×10.03 mm规格N80钢级长圆螺纹套管在油田使用时发生了严重的螺纹黏结现象，螺纹黏结位置主要在外螺纹的18～28扣、内螺纹的起始1～7扣。随后该油田更换了另一批同规格同钢级套管，在同样作业条件下使用却未发生螺纹黏结现象。由此可以判断：此批套管螺纹黏结原因是套管的质量问题，而不是油田的使用操作不当造成的。

2 螺纹黏结的影响因素

根据ISO 13679∶2002标准的定义，螺纹黏结是相互接触金属表面间发生的一种冷焊［4］。这主要是指在油套管上、卸扣过程中，油套管螺纹在高接触压力、高温和高速加载作用下，金属表面发生弹性变形、塑性变形、挤压剥落、“犁沟”和嵌入金属的损伤［5-7］。因此螺纹黏结的发生可能有以下几个方面的因素，即螺纹尺寸精度、螺纹表面质量、套管材料特性、接箍表面处理效果、螺纹脂质量等。为找出该批套管螺纹黏结的具体原因，就是否由以上因素影响套管的抗螺纹黏结性能进行逐一分析讨论。

2.1 螺纹参数的影响

套管螺纹参数与螺纹黏结的产生是紧密相关的，因为该参数不仅影响到螺纹连接的接触应力，同时也影响螺纹连接的应力分布［8］。随机检测了10支与发生螺纹黏结同批次N80钢级套管的螺纹参数，具体见表1。检测结果显示：N80钢级套管螺纹参数完全符合APISpec 5B—2011标准［9］要求，而且螺纹参数变化范围较小。因此，该批N80钢级套管螺纹黏结不是螺纹参数引起的。

表1 N80钢级套管内、外螺纹参数

2.2 螺纹表面质量的影响

研究表明，套管螺纹表面粗糙度越小，则摩擦因数、摩擦力就越小，就越不易发生螺纹黏结；若螺纹表面粗糙度较大或起始扣螺纹有毛刺，都会使摩擦因数变大，摩擦力也随之增大，螺纹黏结相对容易发生［10-11］。文献［12］指出由于应力集中和几何约束，起始扣牙型和螺纹表面质量也是引起螺纹黏结失效的主要原因之一。因此对发生螺纹黏结的同批套管进行起始扣牙型和螺纹表面质量检验，通过与粗糙度对比块进行比对，得出检验的10支螺纹表面粗糙度为R a1.6，螺纹表面较为光滑，且螺纹起始扣处未发现有毛刺现象。因此，螺纹表面质量也不是引起该批套管螺纹黏结的原因。

2.3 套管材料特性对螺纹黏结性能分析

螺纹黏结是内外螺纹黏着磨损的结果，套管的材料性能决定其切削性能，即决定套管螺纹接头的加工质量［6］。通过对该批N80钢级套管材料的化学成分、晶粒度和机械性能进行检测，结果见表2～3。检测结果显示：该批套管管体和接箍材料的化学成分和机械性能性均符合APISpec 5CT—2011标准［13］对N80钢级的要求。管体和接箍碳含量仅为0.26%～0.27%，晶粒度在6.6～7.0级，而0℃冲击功高达110 J，韧性较好。据了解，国内多家知名生产企业对N80钢级的控制指标一般是：碳含量在0.37%左右，晶粒度在8级以上，冲击功在80 J左右。

表2 N80钢级套管化学成分（质量分数） %

表3 N80钢级套管力学性能检测结果

为验证碳含量对抗螺纹黏结性能的影响，更换了接箍材料（碳含量为0.36%，晶粒度为8级，冲击功为89 J），进行3组不同硬度试样的上、卸扣对比试验。第一次上、卸扣后螺纹均完好，在第二次上、卸扣后出现了局部的螺纹损伤，但牙型基本完好，第三次上、卸扣后均可以卸下，没有黏结在一起，但有两组螺纹损伤严重，且无法修复。这些试验结果表明，材料的碳含量、晶粒度对抗螺纹黏结性能有很大影响。

2.4 材料硬度的影响

通过对现场出现螺纹黏结的N80钢级套管进行硬度检测，发现有个别套管管体硬度偏低，或者是管体和接箍的硬度差值较大。因此，选择不同硬度的试样进行上、卸扣试验，试验结果见表4。

表4 不同硬度值套管的上、卸扣试验结果

从表4可以看出，管体材料硬度值较低时容易发生螺纹黏结现象。而现场出现螺纹黏结的N80钢级套管管体硬度均小于165 HB，这也再次验证了上述试验结果。

2.5 接箍螺纹表面处理的影响

目前，油套管接箍的表面处理技术有磷化、镀锌、镀铜等。不同的表面处理技术，其抗螺纹黏结效果不一样。镀层的厚度、硬度、熔点或分解温度、结晶晶粒的形态等都直接影响螺纹的抗螺纹黏结性能［10］。现场发生螺纹黏结的套管接箍螺纹表面处理工艺为锌锰系中温磷化，通过观察第一次上、卸扣后的接箍表面磷化层，发现接箍起始1～7扣的磷化层严重脱落，说明磷化层的附着力较差，测量磷化层厚度，仅为6～12μm，且分布没有规律性。

为进一步研究接箍螺纹表面处理对螺纹黏结性能的影响，对同一炉号的N80钢级套管及接箍（管体硬度约为180 HB，接箍硬度约为200 HB，晶粒度为8.0级）分别进行锌锰系中温磷化、镀铜和纯锰系高温磷化工艺的螺纹表面处理，各取3组做上、卸扣试验，结果见表5。

表5 不同表面处理工艺的套管上、卸扣试验结果

从表5可以看出：锌锰系中温磷化与镀铜工艺的上卸扣试验结果一致，说明这两种螺纹表面处理工艺对抗螺纹黏结性能影响相近；纯锰系高温磷化工艺的抗螺纹黏结性能优于前两种表面处理工艺。

2.6 螺纹脂的影响

螺纹脂对套管接头具有润滑和填充密封的作用，可以减小或缓解套管接头螺纹黏结程度［14］。该批螺纹黏结套管所用螺纹脂为改进型螺纹脂，其主要性能参数见表6。由表6可以看出，螺纹脂的性能参数均满足 ISO 13678∶2000 标准［15］要求，且螺纹脂涂抹均匀，用量适宜；说明套管的螺纹黏结不是螺纹脂引起的。

表6 改进型螺纹脂的主要性能参数

3 结 语

通过对螺纹黏结同批N80钢级套管进行检测与试验分析，螺纹黏结套管的螺纹参数、螺纹表面质量、化学成分、力学性能及螺纹脂的性能参数均满足标准要求。管体和接箍材料碳含量较低、硬度低，是造成N80钢级长圆螺纹套管螺纹黏结的主要原因；此外，接箍表面磷化层较薄、附着力差也是造成螺纹黏结的另一原因。

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