表层石油套管螺纹参数超差分析及改进
时间：2023-06-19 19:30:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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）
API Spec 5B《套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范》（第16 版）相比旧版，增加了螺纹平均顶径和椭圆度等参数。自新版标准实行以来，工厂生产的表层石油套管（常用管径≥244.48 mm）螺纹不合格率显著升高。主要表现为螺纹平均顶径和螺纹椭圆度超差，连带螺纹紧密距等参数超差。本文通过对表层套管螺纹现场加工进行研究，找出主要影响因素，从原材料外径尺寸、机床夹具、加工工艺等方面进行分析总结，提出减少螺纹参数超差的一些建议，对石油套管生产厂家具有一定借鉴意义。
API Spec 5B《套管、油管和管线管的加工、测量和检验规范》（第16 版）实施之后，增加螺纹平均顶径和椭圆度的检测要求，并对紧密距做出新的要求：计算最大紧密距值时把螺纹椭圆度考虑在内。
式中 SO——考虑椭圆度的紧密距公差
S——标准规定紧密距公差值
OV——机床外测得的螺纹椭圆度
Taper——螺纹锥度
标准增加螺纹平均顶径和椭圆度，给螺纹加工带来了一定困难，特别是在生产表层套管上体现得很明显。根据某螺纹加工厂统计数据显示，在新标准刚实行的前期，生产表层套管时因螺纹平均顶径和椭圆度造成的不合格率在10%以上，甚至有的班次达到近30%。
以Φ244.48×8.94 mm J55 LC 规格套管为例，在机床加工参数不变的前提下，进行多个批次套光管加工螺纹后，对螺纹进行紧密距变化量、螺纹平均顶径、螺纹椭圆度等参数的测量，发现其中有多个螺纹接头参数测量不合格，主要表现在螺纹平均顶径超出±0.008 in（1 in=25.4 mm）的标准要求，紧密距超出标准要求（表1）。平均顶径超差的螺纹，螺纹椭圆度虽然不超差但数值普遍较大，相关标准要求紧密距为31.755～38.105 mm（不考虑椭圆度）。
表1 螺纹参数测量数据
通过数据分析可知，螺纹参数不合格主要表现在螺纹顶径尺寸偏差，螺纹顶径变化区间过大，造成平均顶径超差，并引起螺纹椭圆度和紧密距的超差。
2.1 原料光管外形尺寸较差
通过检测螺纹顶径超差对应的光管尺寸，发现虽然光管的几何尺寸皆符合API Spec 5CT（第10 版）中8.11 条要求，但圆度较差的光管在螺纹加工后的螺纹平均顶径、椭圆度和紧密距参数，明显比圆度较好的光管差。
对比数据后发现，以Φ244.48 mm 规格套管为例，光管椭圆度大于1.0 mm 时，在同一车床加工出来的套管螺纹参数出现了较大偏差，主要体现在螺纹顶径的最大值和最小值呈现较大的分离现象，或造成平均顶径超差、椭圆度超差，同时影响紧密距。
同样，在Φ273.05 mm 规格套管，光管椭圆度的影响值为1.2 mm，超过这个临界值螺纹参数的超差率将大幅增加。
管端直线度对螺纹加工也有一定影响，特别是端部范围内的直线度较大时，对螺纹平均顶径和椭圆度也有影响，但总体上还是光管椭圆度为主要影响因素。
2.2 机床设备自身原因
螺纹加工流程为：套光管通过输送线进入到机床内部指定位置后机床夹具夹紧管体→启动螺纹加工→螺纹加工完毕→机床停止运转→机床夹具松开→套管退出机床。
如果加工过程中出现螺纹顶径偏差较大和椭圆度超差等问题，说明钢管在加工过程中产生的变形较大。通过查找分析，加工过程中造成钢管变形的原因有机床夹具、台架等设备或部件，其中最大要因为机床夹具。
对机床夹具进行现场测绘，发现3 组夹具同心度存在一定的偏差，在夹紧管体过程中3 组夹具对钢管接触应力不均匀（图1）。接触应力会造成管体不规则的弹性变形，加大管体的椭圆度。
图1 机床夹具夹紧钢管有限元分析
此外，接触应力的不均匀也会在一定程度上造成钢管头部直线度的变化。而直线度的变化会导致钢管轴心和刀盘轴心的不同心，使得螺纹加工偏离钢管中心，影响螺纹参数，加大椭圆度。
机床夹具一般为整体式，与钢管以面接触方式硬接触。夹具的内曲面并没有和管体完全的抱紧，呈现局部区域接触。
2.3 机床调整原因
加工螺纹过程中，管端要探出夹具一定的长度，探出长度对加工后螺纹参数存在一定的影响。由于套光管管端都会存在一定的弯曲度，管端探出量过大则加工过程中管端存在一定幅度的甩动，加工后螺纹参数偏差较大甚至超出标准要求。
管端的探出量不同造成夹具夹紧管体的位置不同，在气动卡盘压力一样的前提下，夹紧位置的不同造成管端加工螺纹位置的受力不一致，加工后对螺纹参数存在一定影响。
台架的调整对螺纹加工也有直接影响。更换规格后，如果台架调整过高或过低，台架托辊中心和机床轴中心偏差较大，管子经过机床加紧后则会造成管端变形，加大螺纹尺寸偏差，导致螺纹平均顶径、紧密距等参数的超差。
由以上分析可以看出，造成表层套管平均顶径和紧密距超差的主要因素为套光管尺寸和机床加工，其中机床加工主要有夹具对钢管夹持不均匀、夹持位置不合理和台架调整不合理等。
3.1 严格套光管采购标准
套光管几何尺寸需要满足API Spec 5CT（第10 版）标准，标准中对管体外径、直线度、管端直线度等有一个宽泛的要求，按照现场实际加工情况制定新的套光管采购要求，管体外径按照加工螺纹类型不同分别制定，加工圆螺纹套光管外径0～+1%D（外径），加工偏梯形螺纹套光管外径+1.5mm～+1%D，考虑套光管椭圆度对加工后螺纹参数存在直接影响，经过现场统计和计算，认为把套光管椭圆度控制在1.0～1.2 mm（根据规格不同有所调整）以内，可以减少螺纹的椭圆度。
按照新的套光管椭圆度控制标准采购的套光管，入厂加工螺纹后检测发现，螺纹参数的合格率明显提高。
3.2 更换新型夹具
国内机床夹具一般分为三爪和四爪结构，三爪结构一般为自动同心，四爪结构一般为手动找正。加工不同规格套管需要更换相对应规格的夹具，夹具与管体接触面一般为相对应套光管规格的圆弧面。螺纹加工过程中夹具夹紧管体表面，因套光管外表面不是一个理想的圆形，夹具受力后在管体表面形成一个不均匀的受力面，致使管体发生一定的弹性变形，为了降低受力不均匀的现象，需要对夹具圆弧面进行改进。
改进方式为更改夹具接触方式，通用的夹具是圆弧面接触，改进后由面接触改进为多点接触，一种方案是在每个夹具上面安装多个弹性较好的合金块，合金块表面分布金属凸起，由凸起与管体接触，使管体受力更均匀，降低管体弹性变形（图2）。
图2 合金块式夹具
3.3 规范机床调整工艺
加工螺纹时管端需要探出夹具一部分，探出距离的多少主要由挡块进行确定，调整依据为：根据加工螺纹的类型和管径，LC、SC、BC 三种螺纹要求的螺纹长度不同，探出量要求不同。一般螺纹长度越长，探出量越大，管径越大，相应的钢管探出距离要适当大些，探出量过短则管端加工位置传导受力较大产生弹性变形，造成加工后螺纹椭圆度较大、螺纹参数超差。若探出量较大时，由于管端直线度的问题，也容易增加螺纹出现振纹、黑皮扣的概率。
通过现场测绘台架托辊中心和机床加工轴中心的差值，总结不同差值对管形的影响。利用所加工不同规格套管进行现场调节支撑辊高度，并在支撑辊轮与下部起升机构中间两端加装弹性结构，调节高度时使支撑辊轮与管体外壁接触，支撑辊下侧的弹性结构能起到一定的调节作用。
通过以上改进，如优化原材料采购标准、设计应用新型机床夹瓦、机床工艺调整等，有效降低了螺纹加工参数超差的比例。
表层套管加工螺纹过程中，容易出现螺纹椭圆度较差而造成螺纹参数的超差，主要表现在平均顶径、椭圆度和紧密距参数超差。通过分析影响螺纹平均顶径和紧密距等参数的因素，找出套光管几何尺寸、夹具型式和机床调整工艺对螺纹参数的影响。通过减少套光管的椭圆度、采用受力均匀的夹具以及保证夹具的同心度、合理选择套管光管的探出量、缩小台架托辊和机床轴中心偏差等方式，提高了表层套管的螺纹加工精度，解决了因平均顶径、椭圆度和紧密距不合格造成的表层套管成材率低等问题。
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