SEW油套管API圆螺纹粘扣原因分析
2015-11-09田晓龙
田晓龙
(1.西安石油大学,西安 710000;2.宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡 721008)
0 引言
在油田现场作业中,油套管螺纹粘扣是油套管最常见的失效方式,据统计,约60%的油套管失效事故直接或间接与螺纹粘扣有关,如何提高油套管螺纹连接的抗粘扣能力一直是油套管生产厂家和油田用户的重点关注问题。最近几年国内有厂家引进欧美国家先进的石油专用管生产制造技术,开发出一种新型石油专用管——SEW油套管(高频焊热轧油套管Hot Stretch-reducing Electric Welding casing and tubing),该产品采用“高频焊管技术+管材热机械轧制技术”的组合,集成了HFW高频焊管和无缝管生产工艺的各自优点,使用控轧控冷TMCP工艺生产的高精度卷板为原料,通过多道次轧辊挤压均匀成型和高频焊接,生产出壁厚均匀、椭圆度好、冲击韧性高的高频焊接HFW母管。再采用大功率电感应加热装置将HFW母管快速、充分加热到完全奥氏体化后使用24机架强张力减径机连续轧制到工艺设定的外径和壁厚,定尺切断后再使用大型天然气热处理炉进行后续整体热处理,最终生产出高性能SEW油套管光管。
通过多次加热和热机械轧制,SEW油套管光管的焊缝组织与母材组织得到充分的扩散、融合,在微观组织上达到基本一致,实现了“无缝化”,同时又具备HFW高频焊管的椭圆度好、尺寸精度高、壁厚均匀、高韧性和抗挤毁性强的特点,是欧美国家目前正在广泛应用的一种先进的油套管制造技术。本文试图通过对SEW油套管抗粘扣性能的对比试验研究,找出SEW油套管API圆螺纹粘扣现象的机理和原因,提出改进意见,为SEW油套管的加工、使用提供参考。
1 油套管螺纹粘扣机理
油套管螺纹粘扣是一种发生在相互接触金属表面间的冷焊(Cold welding)现象,即在油套管上卸扣过程中,公母螺纹相互作用的螺纹表面上发生冷焊,进一步旋转时冷焊部位发生撕裂,冷焊点不断撕裂并重新生成,显著降低螺纹的结构完整性和密封完整性,严重的会导致滑脱掉井和泄漏事故。
2 SEW油套管API圆螺纹粘扣特征
通过对满足API[1]标准要求的SEW油套管API圆螺纹进行大量模拟油田作业现场的上卸扣试验,观察套管粘扣失效时的典型形貌,发现SEW油套管粘扣现象具有以下特征:
1)油套管公扣外螺纹粘扣70%以上发生在完整扣的前3扣,少量出现在公扣螺纹的后部(接箍母扣内螺纹粘扣位置与其对应)。油套管认扣前位置示意图如图1所示。
2)上卸扣试验中接箍分别夹持在旋紧位置前段、中部、后部,当接箍夹持在旋紧位置前段时发生螺纹粘扣的几率明显大于其它2种夹持方式;当接箍夹持在旋紧位置中段、后段时,发生螺纹粘扣的几率基本相同。油套管接箍夹持受力示意图如图2所示。
图1 油套管认扣前位置示意图
3)对套管公扣螺纹与接箍母扣内螺纹的螺纹参数、中径、锥度等进行工艺数据对比匹配,匹配公差带接近会明显降低螺纹粘扣现象,当控制到API标准的1/2以内时,抗粘扣性能趋于稳定(文献[2]认为应将匹配公差带控制到API标准的1/3以内,在SEW油套管上卸扣试验中未发现二者在螺纹抗粘扣性能方面有明显区别),同时在API标准扭矩下进行上卸扣试验时,在锥度配合上“大脑袋戴小帽子”和“小脑袋戴大帽子”两种现象对螺纹的抗粘扣性能基本无影响。
4)分别采用API最大扭矩、1.1倍API最大扭矩、1.2倍API最大扭矩和1.3倍API最大扭矩进行上卸扣试验,随扭矩的加大,螺纹粘扣现象明显增加,在API最大扭矩下无粘扣现象的SEW油套管,在1.3倍API最大扭矩下约有1/3会发生粘扣现象。
5)采用API最大扭矩,同等条件下螺纹首扣毛刺在不修磨、风磨笔修磨和抛光轮修磨等3种状态下,首扣毛刺不修磨时约1/3会在第一次上卸扣时发生螺纹划伤或粘扣,风磨笔修磨效果次之,抛光轮修磨效果最好,对比实验中未出现螺纹划伤或粘扣现象。
6)SEW油套管接箍、管体屈服强度匹配试验显示,提高屈服强度可以有效改善螺纹抗粘扣性能,但当二者屈服强度接近时(相差50 MPa以内),螺纹粘扣现象会明显增加。
7)接箍内螺纹在磷化、镀铜2种镀层工艺状态下进行配比试验,在P110钢级及以下时,二者生产工艺控制稳定时均可满足要求。在Q125钢级试验中,采用磷化工艺生产的接箍磷化膜脱落明显,容易发生粘扣现象。
3 SEW油套管API圆螺纹粘扣原因分析
通过对以上SEW油套管API圆螺纹粘扣特征分析可以看出,螺纹粘扣的本质是在于公母螺纹的旋合受力过程中,由于以下原因之一或综合原因作用造成粘扣。
1)初始接触的螺纹表面粗糙度高或带有加工毛刺,在螺纹旋合过程中在起始扣位置附近产生划伤、粘连等现象,导致粘扣。
2)螺纹公差相差大,在螺纹旋合时产生较大的变形量导致接触应力增加,当接触应力超过管材屈服强度时发生永久变形或导致螺纹接触面摩擦力加大出现粘着磨损,最终导致粘扣。
3)螺纹旋合过程中接箍夹持位置过于靠近旋合端,在夹持力的作用下接箍发生弹性变形,在旋合过程中产生较大的接触应力并最终造成粘扣[2-3]。
图2 油套管接箍夹持受力示意图(箭头为背钳夹持力)
4)接箍镀层工艺控制不稳定,镀膜过薄或过厚,附着力不足易脱落,涂抹螺纹脂后在螺纹旋合过程中不能提供稳定的“极压润滑膜”导致高压状态下螺纹金属直接接触摩擦,发生粘着磨损和粘扣。
5)选配的接箍、管体屈服强度接近时,在螺纹旋合过程中弹性变形不足,增大了接触应力,增加了螺纹粘扣机率(文献[4]认为在接箍、管体的化学成分接近或相同时,容易发生吸附磨损导致粘扣,由于条件限制,笔者未做此对比试验)。
6)在螺纹旋合过程中,由于多种原因导致出现超出API标准扭矩的实际扭矩,实际扭矩过大时,螺纹接触部位容易因接触应力过大而导致粘扣[5-6]。
4 生产实践中的措施
通过总结试验数据,有针对性地控制生产工艺数据,多种SEW油套管一次性通过中国石油天然气集团公司西安管材研究所的第三方评价,产品抗粘扣、滑脱及密封性能均远优于API标准要求。批量供应大庆、吉林、青海、吐哈、长庆、延长等油田的API圆螺纹SEW油套管在现场使用中抗粘扣性能良好,完全能够满足不同地区井况、作业条件的要求,得到了用户的好评。
综合SEW油套管生产现状和油田现场作业的应用情况,在SEW油套管的生产组织中做好以下几个方面,可以较好地保证API圆螺纹SEW油套管的抗粘扣性能。
1)防止过扭矩导致粘扣。由于目前国内多数油田作业多采用液压钳,按旋紧后油套管平扣进行现场控制,当下井作业时因各种原因出现外露扣时习惯加大压力旋紧至平扣。对于采用正-正配合的SEW油套管在旋紧消除外露扣时容易产生较大的过扭矩导致粘扣,为规避此现象,实际生产中在SEW油套管的现场端应尽可能采用负-负配合。尽量不采用屈服强度、壁厚等已接近API标准下限的原料组织生产,提高产品抗外力变形能力。
2)防止螺纹初始旋合认扣划伤。对螺纹首扣进行修磨时,在提高修磨光洁度的同时,要避免齿顶毛刺内翻现象的发生,通过规范抛光轮的打磨方向和角度可以有效控制螺纹修磨质量。
3)控制螺纹参数。螺纹加工公差应尽可能控制在API标准的1/2以内。
4)控制接箍镀层工艺。由于大多数油套管加工厂的钢管原料为外购产品,控制接箍和光管的强度差存在一定的实际困难,在生产中通过控制接箍镀层工艺质量可以很好地消除原料强度差方面的不良影响,在API标准Q125及以下钢级产品生产中,在满足生产工艺要求的前提下,磷化镀层工艺具有经济、环保的优点,工厂除一套完善的磷化工艺生产控制体系外,应建立简易、直观的接箍磷化质量评测办法,从不同钢级接箍的磷化厚度、外观颜色、挂灰等方面简单、快速地对比评价接箍磷化质量,较好的接箍磷化质量是提高API圆螺纹SEW油套管抗粘扣性能重要组成部分。
5 结语
通过合理地调整SEW套管API圆螺纹的参数、公差配合,控制螺纹起始扣的修磨质量,强化接箍磷化质量等措施,可以较好地解决API标准Q125及以下钢级的SEW油套管API圆螺纹的抗粘扣问题,通过生产实践证明以上结论在实际生产中是有效、可行的,同时对同类产品的生产质量控制具有一定的指导意义。
[1] API SPEC 5CT-2012 套管和油管规范[S].
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