论保证API油管螺纹连接密封性能的控制措施

魔神

     

在《论影响API油管螺纹密封性能的因素》中，笔者从API油管螺纹的牙型特点和密封机理入手，分析了锥度误差、螺距误差和牙型误差等因素对API油管螺纹连接密封性能的影响；简要阐述了油管螺纹加工时产生锥度误差、螺距误差和牙型误差的原因。本文中笔者将根据从事油管螺纹加工、质量控制的经验，按API油管螺纹的加工过程，阐述保证API油管螺纹连接密封性能的控制措施，与同行切磋。

油管螺纹梳刀的重磨与安装

现以二齿的棱体外梳刀和二齿四刃的平体内梳刀为例，对油管螺纹梳刀的重磨与安装控制加以说明。

a.外梳刀 b.内梳刀 图1 油管螺纹梳刀刃磨示意图

1. 梳刀的重磨
   当油管螺纹梳刀磨损到一定程度或梳刀牙型有缺陷时，梳刀必须重磨后方可再用，否则加工出的油管螺纹将很难满足连接密封性能的要求。但梳刀的重磨应保证重磨后的梳刀切削刃形状和尺寸基本不变。
   图1为油管螺纹梳刀刃磨示意图。
   油管螺纹内、外梳刀的成型柱面均为后刀面。棱体外梳刀前刀面与后刀面的夹角为82°，安装在专用外梳刀杆上的顶刃后角为6°(每英寸8牙外梳刀为8°)；平体内梳刀前刀面与后刀面的夹角为84°，安装在专用内梳刀杆上的顶刃后角为6°。从棱体梳刀截形深度的计算可知，同一把梳刀在安装后角不变的情况下，当梳刀的前角刃磨为+6°时，10牙螺纹的牙型高度将增大0.023mm；当梳刀的前角刃磨为+10°时，将增大0.047mm。因此，为了保证重磨后的梳刀截面形状正确和切削顺利，对梳刀的重磨采取以下控制措施：

   1. 油管螺纹内、外梳刀必须在工具磨床或平面磨床上刃磨前刀面；
   2. 外梳刀的刃磨角度为8°^+1°(图1a)，内梳刀的刃磨角度为2°±30′(图1b)；
   3. 刃磨后的内、外梳刀的牙底及校正齿牙顶圆弧半径须圆滑过渡，牙侧平直，并不得有缺陷。
2. 2.梳刀的安装
   油管螺纹内、外梳刀都安装在专用内、外梳刀杆上，安装的质量直接影响零件的加工误差和工作可靠性。对此，制定了以下措施：

   1. 安装前应把刀杆、刀片定位槽及刀片擦拭干净，刀片压紧后用塞尺检查刀片与刀杆定位槽面是否接触完好，加工数个零件后再用塞尺复查，以保证刀片定位可靠；
   2. 内、外梳刀杆安装在机床刀架上时，须用百分表校正刀杆的找正平面与机床回转轴线平行(内梳刀杆)或垂直(外梳刀杆)误差均在0.02mm范围内；
   3. 当加工1.050、1.315、1.660 TBG或UP TBG等小尺寸规格的油管螺纹时，如专用梳刀杆上未考虑螺旋升角的问题，则允许在梳刀杆上采取一定措施使梳刀片形成正刃倾角，以减小螺旋升角对螺纹表面质量的影响。具体办法是：加工内螺纹时，在刀杆后端加垫片，100mm长度内后端比前端垫高1.2～1.6mm，可形成0°41′～0°55′的正刃倾角；加工外螺纹时，在刀杆宽度方向的刀架内侧垫一宽5mm、长120mm、厚0.3～0.4mm的垫片，可形成0°41′～0°55′的正刃倾角(刀杆宽30mm时)。

油管螺纹锥度误差的控制

锥度误差在油管螺纹连接时的累积手紧间隙值中所占的比例较小。相应对密封性能的影响也较小。但由于锥度误差造成连接紧密部位的位置发生变化，因而对油管螺纹连接的稳定性、可靠性及连接强度、连接应力的大小有很大影响。

油管螺纹锥体一般分为两个步骤加工，即先用外圆车刀粗车，再用油管螺纹梳刀精车而成。为了减少锥度误差对油管螺纹连接密封性能的影响，针对油管螺纹加工时造成锥度误差较大的原因，制定了以下措施：

1. 油管螺纹零件加工时，锥度的斜角误差控制在1°47′24″范围内，且锥度误差要经常检查和校正。因外锥测量准确，可先车出锥体后再用正弦规测量斜角，内锥面用同规格的锥面塞规涂色检查，接触面积应大于60%。
2. 靠模车床的靠模架每3个月检修一次，靠模车床和数控车床的精度情况每半年检修一次。
3. 油管螺纹内、外锥体粗车后，单边留梳量0.3～0.5mm，以保证精梳油管螺纹时牙型的完整。为了保证油管内螺纹有足够的加工余量，规定了接箍的预制毛坯孔直径(表1)，公差带为H14。
4. 油管螺纹锥体的直线度用平尺透光检查，素线呈中间凹下状态时不得大于0.01mm，素线呈中间凸起状态时不得大于0.03mm。

表1 接箍类油管内螺纹预制毛坯孔径(直孔) mm

螺纹 代号	1.050 TBG	1.315 TBG	1.660 TBG	1.900 TBG	23/8 TBG	27/8 TBG	3½ TBG	4 TBG	4½ TBG
毛坯孔径	21.5	28	36.6	42.4	54	66	81	92.5	105
螺纹 代号	1.050 UP TBG	1.315 UP TBG	1.660 UP TBG	1.900 UP TBG	23/8 UP TBG	27/8 UP TBG	3½ UP TBG	4 UP TBG	4½ UP TBG
毛坯孔径	28	31.6	40	47	58	70.5	86.6	99	111.5

油管螺纹螺距误差的控制

螺距误差在油管螺纹连接时的累积手紧间隙值中所占比例最大，达50%，因此螺距误差是影响API油管螺纹密封性能的最主要因素。在靠模车床和数控车床上加工油管螺纹都是工件旋转，而螺纹车刀(或梳刀)沿工件轴线按所要求的螺距参数等量平移，工件的螺距精度主要靠车床相关部件的运动精度来保证。虽然油管螺纹零件的螺距误差接近或超过累积螺距公差状态的情况极少，但一旦出现，对成批零件密封性能的影响则是致命的。为了减小工件的螺距误差，保证油管螺纹连接密封性能，采取了以下控制措施：

1. 把螺距公差减小到L4-g长度内任意两牙的螺距误差不大于0.02mm，从而使螺距误差在油管螺纹连接时的累积间隙值中所占的比例降到12%，油管螺纹最大累积手紧间隙值也可由0.26mm减小到0.146mm，小于机紧两圈所能消除的间隙值0.158mm(每英寸10牙螺纹)。
2. 定期检查机床，消除和减小机床的主轴回转误差、导轨导向误差和传动链传动误差等，以提高油管螺纹加工时的螺距精度。具体办法有：①调整机床主轴和丝杠，消除轴向串动；②合理调整交换齿轮啮合间隙及主轴、丝杠和交换齿轮轴颈跳动；③在一般数控车床上安装传动误差自动补偿装置等。
3. 应用API石油管螺纹单项测量仪中的内、外螺纹螺距仪或其他测量手段，经常检查螺距误差是否在0.02mm范围内。

油管螺纹牙型误差的控制

油管螺纹是一种很特殊的连接螺纹，除牙侧是主要工作面外，其牙顶与牙底也是工作面，并同样对油管螺纹连接的密封性能产生重大影响。虽然国标及API std 5B规定的牙型误差只有两项(牙型高度公差和牙型角公差)，而且从表面上看这两项公差值都较大，但实际上油管螺纹加工时因工件装夹和加工方法而引起的牙型形状误差及横截面圆度误差都应包含在内。

从理论上分析，当接箍内螺纹的牙型高度为最大，油管外螺纹的牙型高度为最小时(按牙顶、牙底削平高度增大或减小相同数值)，两者手紧连接的接触情况如图2所示。

图2 hn最大和hs最小时连接示意图

这时，内螺纹牙顶与外螺纹牙底的手紧间隙值由0.076mm减小为过盈0.0005mm,而外螺纹牙顶与内螺纹牙底的手紧间隙值则增大到0.1525mm。在这种情况下，如不采用软金属材料镀层作间隙填充剂，并使用性能优异的密封脂，则油管螺纹连接机紧后必将产生泄漏。

油管螺纹加工中，工件的牙型完全靠油管螺纹梳刀的牙型来保证，虽然油管螺纹内、外梳刀的牙型角及牙顶、牙底削平高度参数的制造公差控制都比较严，但如果油管螺纹梳刀使用不当或者加工时螺纹牙型未梳完整，上述极端情况仍可能出现。

1. 直接用梳刀粗车和精车时的牙型误差
   为了保证工件的牙型与梳刀牙型完全一致，油管螺纹加工时都采用径向进刀方式，以螺距参数为走刀量，根据螺纹的尺寸规格、材料的切削性能、零件的刚性等，选用合理的切削速度和走刀次数。生产实践中，由于硬质合金棱体梳刀刚性好，专用梳刀杆强度高，部分操作者在加工油管外螺纹时，采用较高的切削速度，只用3至4次走刀就把螺纹车好了。这种加工方法虽然螺纹表面粗糙度较好，生产效率高，但却存在以下缺点：

   1. 刀尖切削载荷大，易扎刀、崩刃，降低了梳刀的使用寿命；
   2. 梳刀磨损加快，且磨损不均匀，刀尖及牙侧磨损大，牙底磨损小，连续工作一段时间后，工件就会形成前面谈到的极端情况，造成工件牙浅，影响连接密封性能；
   3. 由于油管螺纹零件一般都是空心薄壁件，且梳刀的后角较小，前角基本为零，这种大切削量的加工易造成工件挤压变形、让刀，改变工件牙型的正确形状，使螺纹牙型局部未梳完整或横截面圆度误差增大。
2. 普通螺纹车刀粗车和梳刀精车的牙型误差
   笔者认为，正确的加工方法应是先用普通螺纹车刀粗车，再用梳刀精车，如图3所示。这种加工方法的优点是：①粗车时，车刀可采用较大的前、后角，切削轻快，可减少工件挤压变形；②减轻了梳刀的切削载荷，梳刀磨损比较均匀，使用寿命提高。笔者曾对一枚10牙外梳刀进行了加工前后的参数计量，在按上述方法加工了35件固定阀罩零件后，这枚梳刀牙顶削平高度值基本未变，牙底削平高度值增大了0.009mm。这表明梳刀牙顶及刀侧的磨损较均匀，梳刀牙底因锥体粗车后梳量较少而磨损较小。
   

   图3 三角刀粗车和梳刀精车切削量示意图

   采用普通螺纹车刀粗车和梳刀精车油管螺纹时，首先要注意使精梳刀与粗车刀的纵向位置重合，以保证油管螺纹两牙侧都梳出，其中接箍内螺纹因观察调整较困难应尤其注意；其次要注意粗车刀的刀尖宽度和吃刀深度，以保证油管螺纹牙底梳圆滑、完整，并尽量使精梳余量均匀。当每英寸10牙油管螺纹锥体车后单边留梳量0.3mm时，粗车刀刀尖宽度可控制在0.2～0.3mm，吃刀深度控制在1.2～1.3mm，如图3所示。
3. 减小牙型误差的控制措施
   从理论上分析，螺距误差是影响API油管螺纹密封性能的最主要因素，但在生产实践中，由于油管螺纹的螺距误差处于累积螺距公差状态时的情况极少。因此，要从多方面采取相应措施，使油管螺纹的牙型误差得到有效控制，让工件的油管螺纹牙型最大程度地符合理想状态，才是提高API油管螺纹的加工质量，保证API油管螺纹连接密封性能的最佳途径。
   为了减小油管螺纹的牙型误差，除按本文梳刀的重磨和安装两方面加以控制外，还应采取以下措施。

   1. 合理装夹及提高工件的刚度。油管螺纹零件一般是空心薄壁件，安装时应采用专用卡爪(图4)，卡爪材料为45号钢，硬度28～35HRC，而且工件被夹持部位圆柱度应控制在0.03mm，卡爪夹持部位定期修切，使之与工件接触良好，从而使夹紧力均匀，减少工件的夹紧变形；当工件悬伸较长或刚度较低时，采用端面顶尖、光面顶尖等工艺措施以提高工件刚度，减少工件受力变形。
   2. 油管螺纹锥体车好后，先用普通螺纹车刀粗车，以减轻梳刀载荷，保证螺纹牙型正确，每英寸10牙螺纹粗车走刀5次以上，每英寸8牙螺纹粗车走刀6次以上，粗车后的油管螺纹牙侧及牙底留精梳量0.3～0.5mm。
      

      图4 专用卡爪夹持工件示意图

   3. 油管螺纹粗车后，再用螺纹梳刀精车，精车走刀3次以上，梳刀起始位置应离开起始点15mm以上，油管螺纹的牙顶、牙侧及牙底必须精车，以保证牙型的完整正确。加工中注意梳刀校准齿的不完整牙底切到工件牙顶的切削量不得大于0.02mm(图3)，图中δ为螺纹外梳刀校准齿右侧牙底削平高度与左侧牙底削平高度的距离，其值为PK/2。
   4. 为了保证螺纹梳刀在加工中牙型参数不致变化较大，规定外梳刀精车50件，内梳刀精车30件后，或者梳刀牙型有缺陷时，不得继续加工，螺纹梳刀必须重磨后再用。

油管螺纹的质量检测

API std 5B规定的油管螺纹质量检测方法有两种：一是所有螺纹须按照第三章测量要求受API合格的校对标准量规的控制；二是除比每英寸11牙半更细的管线管螺纹外，所有螺纹的螺纹参数都应根据第六章进行检验。

不论是旧机标YB239-63或是新国标GB9253.3-88都明确规定了螺纹环规和塞规的综合测量标准，其余螺纹参数只列出了公差数值。

采用螺纹环规和塞规对油管螺纹进行综合测量，其实质就是检测油管螺纹的手紧紧密距，以保证油管与接箍机紧后，油管外螺纹的不完整螺纹部分不致露出或拧进太多。最终判定油管螺纹是否连接紧密，并满足使用要求的办法，目前还只能是进行静水压试验。

笔者针对油管螺纹加工的特殊性，在对油管螺纹加工的全过程进行有效质量管理的基础上，制定了一套比较完善的API油管螺纹零件的质量检测程序(标准上已有明确规定的项目除外，如环、塞规的综合测量)，主要内容如下：

1. 油管螺纹的完整牙型表面不得有碰伤、缺损、接刀痕等缺陷，油管螺纹锥度公差、素线直线度公差和累积螺距公差按前述控制措施验收。
2. 油管螺纹的密封性采用静水压试验，试验要求是：①试验前检查油管螺纹不得有飞边毛刺，并清洗干净，然后在外螺纹小端及完整螺纹长度内涂薄薄一层高级螺纹密封脂；②试验压力为30MPa，一人用摩擦钳拧紧，保压8min，应无渗漏；③试压时采用内、外螺纹零件连接互相试压的方法，试压工具中的油管螺纹部位在使用5次后，应对其油管螺纹部位进行修复。
3. 车床、靠模架经调整，梳刀经重磨或重新安装后加工的首件零件必须试压，并待零件试压合格后方可成批生产。
4. 成批加工的油管螺纹零件试压抽样数见表2，超差件经全面修复后方可放进验收批内，拒收批量应经过100%的全面检查，对其可修复者经过修复合格后，再验收。对某些牙型质量有疑义的油管螺纹零件可全试。

   表2 油管螺纹零件试压检查一次抽样方案

   成 批 件 数		2～ 25	26～ 50	51～ 90	91～ 150	151～ 280	281～ 500	501～ 1200	1201～ 3200
   抽样数		2	3	5	8	13	20	32	50
   超差 件数	验收批	0	0	0	0	1	1	2	3
   	拒收批	1	1	1	1	2	2	3	4
   注：抽样数不包括首件试压数。

5. 新产品试制中的油管螺纹零件在无试压工具时，允许在车床、刀具等工艺系统不变的情况下加工的其它油管螺纹零件试压合格，则紧接着加工的上述零件可免试。

体会和建议

过去，由于油田用户允许对抽油泵的油管螺纹连接处缠绕聚四氟乙烯密封带，因此在油管螺纹的密封性能上出问题的情况很少。进入90年代以来，随着改革开放的深入和油田机制的转变，油田用户对抽油泵用油管螺纹连接的要求越来越高，不准缠绕密封带或涂密封胶，只能涂少量SF螺纹密封脂，而且要求一人用摩擦钳拧紧，试压30MPa不得渗漏，并拆卸无咬伤。在这种形势下，笔者从工厂实际出发，在普通靠模车床和简易数控车床上未用任何API石油管螺纹单项测量仪(但自制了一套测量精度0.02mm的螺距测量工具)，加工出符合API标准的螺纹，并达到油田用户的试压条件及要求。

通过解决油管螺纹连接密封性能问题，我们认识到：API油管螺纹的加工是一个系统工程，从操作者到机床设备，从检测手段到刀夹具的使用，每一个环节都是至关重要的，哪一个环节出现问题都将影响油管螺纹连接的密封性能。因此，要定期对从事油管螺纹加工、检测的有关人员进行API油管螺纹的标准、连接特点、密封机理、影响因素、控制措施、检测方法等方面的培训，提高每个人的质量意识和责任感，人人重视油管螺纹的加工质量，从而使API油管螺纹生产全过程的质量得到控制和保证。

为了减小油管螺纹梳刀制造公差对油管螺纹连接密封性能的影响，建议把油管螺纹内、外梳刀牙顶与牙底削平高度的制造公差由±0.02mm提高到±0.01mm，从湖北国营第388厂与成都工具研究所合作的情况来看，梳刀牙顶、牙底削平高度的制造公差减小50%，成本增加不到30%，如果大批量应用，增加成本15%～20%。这样一来，所产生的效果非常明显，不仅减小了油管螺纹连接的累积手紧间隙，增强了密封性能，而且还提高了梳刀的使用寿命。

为了便于在现场对螺距误差进行检测控制，建议每个油管螺纹加工企业都配置1至2套API油管螺纹螺距仪。成都工具研究所研制的一套螺纹螺距仪(含油管外螺纹、内螺纹螺距仪和螺距仪校对样板三种仪器)现价约6000元。这套螺距仪的累积测量误差不超过8µm，能满足油管螺纹螺距误差的检测需要，且价格便宜。