宋桐亮，胡海波，馬春莉，馮 杰

（1.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280；2.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

螺紋粘扣是套管常見的損傷失效形式，避免套管粘扣是油套管生產(chǎn)廠家重點(diǎn)關(guān)注的問題。HFW（High Frequency Weld原ing，高頻電阻焊鋼管）套管為保證焊接質(zhì)量，需要追求較低的碳當(dāng)量，重點(diǎn)控制碳含量和碳當(dāng)量。因碳當(dāng)量與抗拉強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能存在一定的正比關(guān)系，故HFW 套管管體硬度比無縫管低，與無縫管制成的接箍進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)粘扣問題。以滿足API 標(biāo)準(zhǔn)的J55 鋼級(jí)HFW 套管為例，通過研究HFW 套管粘扣失效機(jī)理，找出主要影響因素。從化學(xué)成分優(yōu)化、硬度控制方面進(jìn)行分析總結(jié)，提出在理化性能方面降低HFW套管螺紋粘扣概率的建議，對(duì)HFW 套光管生產(chǎn)廠家和HFW 套管螺紋加工廠家都有一定的借鑒意義。

1 套管螺紋粘扣原理

粘扣是一種來源于管螺紋和接箍螺紋的擰接中，發(fā)生在相互接觸螺紋表面間的冷焊，很多文獻(xiàn)將其歸為粘著磨損。粘著磨損是指滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部的接觸應(yīng)力超過了屈服強(qiáng)度，致使接觸面的金屬產(chǎn)生塑性變形，在隨后相對(duì)滑動(dòng)中塑性變形處被破壞，螺紋外表面金屬形成損傷。而套管螺紋發(fā)生粘扣的主要原因是在高接觸壓力、高溫和高速加載的作用下,金屬表面發(fā)生塑性變形，繼而螺紋產(chǎn)生擠壓剝落、犁溝和嵌入金屬的損傷問題。

2 HFW 套管螺紋粘扣主要特征

J55 鋼級(jí)HFW 套管現(xiàn)已是成熟產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中不易發(fā)生粘扣問題。但這只限定在只有一次上扣的基礎(chǔ)上，若按照相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多次上卸扣試驗(yàn)，HFW 套管的易粘扣問題便呈現(xiàn)出來。

選取滿足API 標(biāo)準(zhǔn)的J55 HFW 套管，對(duì)不同廠家、不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。在滿足螺紋參數(shù)、樣件表面質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求、上扣設(shè)備完好的前提下，取樣進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有些批次的產(chǎn)品出現(xiàn)粘扣。

通過對(duì)出現(xiàn)粘扣批次的樣件進(jìn)行螺紋檢查，發(fā)現(xiàn)所有管體螺紋粘扣均出現(xiàn)在螺紋全長的后半部分，即從螺紋倒角開始的前部螺紋幾乎沒有任何損傷，而與管子相對(duì)應(yīng)的接箍螺紋粘扣只發(fā)生在螺紋起始部位。這種粘扣特征與無縫套管的粘扣特征存在很大區(qū)別。無縫管的粘扣特征是，公螺紋發(fā)生粘扣時(shí)，與之相配的母螺紋同時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘扣，并且從公、母螺紋的起始扣位置開始在全配合長度范圍內(nèi)螺紋牙型全部損壞。

3 HFW 套管粘扣原因分析

3.1 化學(xué)成分

通過對(duì)粘扣的接箍和管體進(jìn)行理化性能分析，HFW 管體和無縫管制成的接箍，化學(xué)成分皆符合API SPEC 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》（第10 版）要求。其中HFW 鋼管為提高焊接質(zhì)量，碳含量和碳當(dāng)量低于無縫管制成的接箍。其中HFW 鋼管碳含量0.16%0.17%，碳當(dāng)量0.3280.353；接箍碳含量0.35%0.37%，碳當(dāng)量0.5420.570。

3.2 機(jī)械性能

機(jī)械性能方面，HFW 鋼管和接箍的抗拉強(qiáng)度和硬度區(qū)別較大，接箍的抗拉強(qiáng)度和硬度值都要高于HFW 鋼管。HFW 鋼管抗拉強(qiáng)度（550600）MPa，布式硬度（165180）HB；接箍抗拉強(qiáng)度（600680）MPa，布式硬度（205230）HB。

因?yàn)榭估瓘?qiáng)度和布式硬度在數(shù)學(xué)上存在近似的正比例關(guān)系，因此可以采取差值較大的抗拉強(qiáng)度和布式硬度中的一項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，本文選擇對(duì)材料的布式硬度進(jìn)行研究。

3.3 金相組織

按照API SPEC 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》（第10 版）標(biāo)準(zhǔn)在管體和接箍截取金相試樣，依據(jù)GB/T 10561—2005 及GB/T 6394—2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯微組織分析，都為鐵素體加珠光體組織，未發(fā)現(xiàn)不良的組織。

3.4 硬度與螺紋粘扣關(guān)系

通過粘著磨損公式（駐V=KN/3HB，駐V 為單位滑動(dòng)距離的磨損體積；N 為法向載荷；HB 為表面硬度；K 為磨損系數(shù)）可以看出，隨著表面硬度的增加，粘扣的傾向性變小。

對(duì)發(fā)生粘扣的試樣進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究管體和接箍的硬度值及差值,發(fā)現(xiàn)粘扣的樣件接箍和管體的硬度差值較大。出現(xiàn)粘扣管體硬度多在170 HB 左右，接箍硬度多在（210230）HB，兩者硬度差40 HB 以上。排除操作不當(dāng)、表面質(zhì)量不良等因素，造成HFW套管螺紋粘扣的主要原因是管體和接箍硬度相差較大。接箍硬度高，管體硬度低，接箍端部起始扣為不完整牙形，在扭矩作用下啃掉與其硬度相差較多的管體螺紋牙側(cè)，從而形成粘扣。為了減輕接箍端部對(duì)管體螺紋的啃傷，降低管體和接箍的硬度差是關(guān)鍵。

4 改進(jìn)建議

HFW 套管為保證管坯成管時(shí)的焊接質(zhì)量，追求較低的碳當(dāng)量，故硬度值比無縫管制成的接箍低很多，如果硬度差過大，易造成螺紋粘扣。通過前期大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，未發(fā)生粘扣的管體和接箍硬度差值在25 HB 以內(nèi)。因此在生產(chǎn)過程中就需要盡量控制管體和接箍的硬度差在25 HB 以內(nèi)。

API SPEC 5CT—2018 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)J55 鋼級(jí)的HFW 套管硬度沒有要求，為了保證較好的可焊性和焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，行業(yè)上一般對(duì)J55 鋼級(jí)HFW 套管的管體碳當(dāng)量控制在0.40 以下。為了減輕HFW 套管粘扣出現(xiàn)的概率，建議訂貨時(shí)對(duì)HFW 鋼管和接箍的化學(xué)成分和硬度值進(jìn)行要求。

針對(duì)HFW 套管，在保證焊接質(zhì)量的前提下，應(yīng)與供貨廠家協(xié)商，對(duì)C 含量和其他元素進(jìn)行調(diào)整，C 和Mn 元素含量適當(dāng)提高，同時(shí)在生產(chǎn)過程中保證定徑量不低于周長值的1%，借以保證管體的硬度180 HB，碳含量0.17%，碳當(dāng)量0.35。

J55 鋼級(jí)的接箍坯料是熱軋無縫管正火狀態(tài)出廠，常用材料是37Mn5，含碳量為0.37左右，硬度（195235）HB。為了減少粘扣概率，應(yīng)降低接箍硬度，保證接箍硬度220 HB，碳含量0.37%，碳當(dāng)量0.60。

同時(shí)，螺紋參數(shù)、螺紋脂質(zhì)量、組裝工序轉(zhuǎn)速控制、現(xiàn)場(chǎng)操作是否合規(guī)等，都會(huì)影響上卸扣螺紋的質(zhì)量，應(yīng)在生產(chǎn)過程中關(guān)注這些因素，防止失控造成質(zhì)量問題。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析得出，J55 鋼級(jí)HFW 鋼管和接箍存在較大的硬度差會(huì)導(dǎo)致螺紋粘扣出現(xiàn)概率的增大。為了降低HFW套管粘扣概率，應(yīng)分別控制HFW 鋼管和接箍的化學(xué)成分和力學(xué)性能。對(duì)于HFW 鋼管，應(yīng)適當(dāng)提高碳含量和碳當(dāng)量，并規(guī)定硬度值下限；對(duì)于無縫管制成的接箍，應(yīng)適當(dāng)降低碳含量和碳當(dāng)量，并規(guī)定硬度值上限。