理化性能对HFW 套管螺纹粘扣的影响及改进

宋桐亮，胡海波，马春莉，冯 杰

（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司天津石油专用管分公司，天津 300280；2.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

螺纹粘扣是套管常见的损伤失效形式，避免套管粘扣是油套管生产厂家重点关注的问题。HFW（High Frequency Weld原ing，高频电阻焊钢管）套管为保证焊接质量，需要追求较低的碳当量，重点控制碳含量和碳当量。因碳当量与抗拉强度和硬度等力学性能存在一定的正比关系，故HFW 套管管体硬度比无缝管低，与无缝管制成的接箍进行上卸扣试验时容易出现粘扣问题。以满足API 标准的J55 钢级HFW 套管为例，通过研究HFW 套管粘扣失效机理，找出主要影响因素。从化学成分优化、硬度控制方面进行分析总结，提出在理化性能方面降低HFW套管螺纹粘扣概率的建议，对HFW 套光管生产厂家和HFW 套管螺纹加工厂家都有一定的借鉴意义。

1 套管螺纹粘扣原理

粘扣是一种来源于管螺纹和接箍螺纹的拧接中，发生在相互接触螺纹表面间的冷焊，很多文献将其归为粘着磨损。粘着磨损是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部的接触应力超过了屈服强度，致使接触面的金属产生塑性变形，在随后相对滑动中塑性变形处被破坏，螺纹外表面金属形成损伤。而套管螺纹发生粘扣的主要原因是在高接触压力、高温和高速加载的作用下,金属表面发生塑性变形，继而螺纹产生挤压剥落、犁沟和嵌入金属的损伤问题。

2 HFW 套管螺纹粘扣主要特征

J55 钢级HFW 套管现已是成熟产品，生产过程中不易发生粘扣问题。但这只限定在只有一次上扣的基础上，若按照相关检验标准进行多次上卸扣试验，HFW 套管的易粘扣问题便呈现出来。

选取满足API 标准的J55 HFW 套管，对不同厂家、不同批次的产品进行试验。在满足螺纹参数、样件表面质量均符合标准要求、上扣设备完好的前提下，取样进行上卸扣试验，发现有些批次的产品出现粘扣。

通过对出现粘扣批次的样件进行螺纹检查，发现所有管体螺纹粘扣均出现在螺纹全长的后半部分，即从螺纹倒角开始的前部螺纹几乎没有任何损伤，而与管子相对应的接箍螺纹粘扣只发生在螺纹起始部位。这种粘扣特征与无缝套管的粘扣特征存在很大区别。无缝管的粘扣特征是，公螺纹发生粘扣时，与之相配的母螺纹同时会出现粘扣，并且从公、母螺纹的起始扣位置开始在全配合长度范围内螺纹牙型全部损坏。

3 HFW 套管粘扣原因分析

3.1 化学成分

通过对粘扣的接箍和管体进行理化性能分析，HFW 管体和无缝管制成的接箍，化学成分皆符合API SPEC 5CT—2018《套管和油管规范》（第10 版）要求。其中HFW 钢管为提高焊接质量，碳含量和碳当量低于无缝管制成的接箍。其中HFW 钢管碳含量0.16%0.17%，碳当量0.3280.353；接箍碳含量0.35%0.37%，碳当量0.5420.570。

3.2 机械性能

机械性能方面，HFW 钢管和接箍的抗拉强度和硬度区别较大，接箍的抗拉强度和硬度值都要高于HFW 钢管。HFW 钢管抗拉强度（550600）MPa，布式硬度（165180）HB；接箍抗拉强度（600680）MPa，布式硬度（205230）HB。

因为抗拉强度和布式硬度在数学上存在近似的正比例关系，因此可以采取差值较大的抗拉强度和布式硬度中的一项数据进行研究，本文选择对材料的布式硬度进行研究。

3.3 金相组织

按照API SPEC 5CT—2018《套管和油管规范》（第10 版）标准在管体和接箍截取金相试样，依据GB/T 10561—2005 及GB/T 6394—2017 标准进行显微组织分析，都为铁素体加珠光体组织，未发现不良的组织。

3.4 硬度与螺纹粘扣关系

通过粘着磨损公式（驻V=KN/3HB，驻V 为单位滑动距离的磨损体积；N 为法向载荷；HB 为表面硬度；K 为磨损系数）可以看出，随着表面硬度的增加，粘扣的倾向性变小。

对发生粘扣的试样进行分析，重点研究管体和接箍的硬度值及差值,发现粘扣的样件接箍和管体的硬度差值较大。出现粘扣管体硬度多在170 HB 左右，接箍硬度多在（210230）HB，两者硬度差40 HB 以上。排除操作不当、表面质量不良等因素，造成HFW套管螺纹粘扣的主要原因是管体和接箍硬度相差较大。接箍硬度高，管体硬度低，接箍端部起始扣为不完整牙形，在扭矩作用下啃掉与其硬度相差较多的管体螺纹牙侧，从而形成粘扣。为了减轻接箍端部对管体螺纹的啃伤，降低管体和接箍的硬度差是关键。

4 改进建议

HFW 套管为保证管坯成管时的焊接质量，追求较低的碳当量，故硬度值比无缝管制成的接箍低很多，如果硬度差过大，易造成螺纹粘扣。通过前期大量试验数据进行对比分析，未发生粘扣的管体和接箍硬度差值在25 HB 以内。因此在生产过程中就需要尽量控制管体和接箍的硬度差在25 HB 以内。

API SPEC 5CT—2018 标准对J55 钢级的HFW 套管硬度没有要求，为了保证较好的可焊性和焊缝质量的稳定性，行业上一般对J55 钢级HFW 套管的管体碳当量控制在0.40 以下。为了减轻HFW 套管粘扣出现的概率，建议订货时对HFW 钢管和接箍的化学成分和硬度值进行要求。

针对HFW 套管，在保证焊接质量的前提下，应与供货厂家协商，对C 含量和其他元素进行调整，C 和Mn 元素含量适当提高，同时在生产过程中保证定径量不低于周长值的1%，借以保证管体的硬度180 HB，碳含量0.17%，碳当量0.35。

J55 钢级的接箍坯料是热轧无缝管正火状态出厂，常用材料是37Mn5，含碳量为0.37左右，硬度（195235）HB。为了减少粘扣概率，应降低接箍硬度，保证接箍硬度220 HB，碳含量0.37%，碳当量0.60。

同时，螺纹参数、螺纹脂质量、组装工序转速控制、现场操作是否合规等，都会影响上卸扣螺纹的质量，应在生产过程中关注这些因素，防止失控造成质量问题。

5 结论

通过现场试验和分析得出，J55 钢级HFW 钢管和接箍存在较大的硬度差会导致螺纹粘扣出现概率的增大。为了降低HFW套管粘扣概率，应分别控制HFW 钢管和接箍的化学成分和力学性能。对于HFW 钢管，应适当提高碳含量和碳当量，并规定硬度值下限；对于无缝管制成的接箍，应适当降低碳含量和碳当量，并规定硬度值上限。