降低大口径套管加工废品率的措施

杨富荣 ，韩 旭 ，吴建文 ，杨文付

1.中国石油集团渤海装备第一机械厂油井管公司 （河北 青县 062658）

2.中国石油集团渤海装备第一机械厂科技质量科 （河北 青县 062658）

大口径套管加工技术要求高、难度大，受管坯几何尺寸、加工车床、刀具、检验方法和人为因素等各方面影响，容易出现黑皮扣、紧密距不合、端面不合、振纹等现象，造成大口径套管加工废品率较高。

1 影响大口径套管加工质量的因素

1.1 管坯几何尺寸

加工大口径套管的管坯受制管工艺的局限性，几何尺寸都会有一些偏差。这些几何尺寸偏差在API Spec 5CT-2011[1]标准规定公差范围内是允许的，但对加工螺纹的质量影响很大。

1.1.1 直线度

API Spec 5CT-2011标准规定全长直线度不超过管子总长的0.2%，管端1.5m长度范围内直线度不超过3.18mm。由于大口径套管质量较大，加工大口径套管所用数控车床大多是采用旋转刀盘进行切削，即刀具旋转进给而钢管静止不动的切削方式，切削比较平稳，螺纹加工精度高；其缺点是对钢管伸出部分（管端）的直线度公差要求较高。而当管端直线度公差超过2.5mm时，加工螺纹就容易产生黑皮扣，形成废品。

1.1.2 椭圆度

API Spec 5CT-2011标准对管端椭圆度没有明确要求，只规定了管子的外径公差值，上限为+1%D，下限为-0.5%D。 以 339.72mm(138″)套管为例，标准外径为339.72mm，标准允许最大外径为343.12mm,最小外径为338.02mm，计算得出椭圆度为5.10mm。根据实际生产经验，当原材料管端椭圆度超过3mm时，往往会造成圆周方向加工螺纹不均匀，有的地方加工余量大，导致车刀磨损快，降低刀具使用寿命；有的地方加工余量小，导致加工的螺纹出现黑皮扣、断扣，螺纹成品率低。

1.1.3 壁厚

在API标准系列套管中，同一外径会有多种的不同的壁厚，以339.72mm套管为例，壁厚共有5种，最小壁厚为8.38mm，壁厚较薄，在加工套管螺纹时，管端的刚性较差，在切削力和夹紧力的共同作用下，管端容易产生震颤，形成颤纹。

1.1.4 外径偏差

API Spec 5CT-2011标准规定套管外径D公差范围在+1%～-0.5%，但是当管坯外径处于极限偏差规定最小值时，螺纹的加工余量很小，往往会在加工螺纹的后程形成黑皮扣[2]，造成完整螺纹长度不够，形成废品。

1.1.5 管端切斜

管端切斜值是钢管管端加工质量的一个重要指标,而钢管口径越大，管端切斜值则越难控制[3]，切斜示意图如图1所示。管端切斜值超差是由直线度及圆度、加工设备、检测方法等因素造成的。目前国内现有制造企业中，大多数制造企业对于切斜的控制水平是符合要求的。但也有少数制造企业，由于加工设备落后差等原因，经常出现切斜值较大的现象[4]。当管端切斜值超过2mm时，在加工套管螺纹时，第一刀的车端面不能把端面车削平整，就会造成加工螺纹端面不合格。而API Spec 5CT-2011标准中对管端切斜值没有明确要求。

图1 切斜示意图

1.2 数控车床和刀具

数控车床是加工大口径套管的主要设备，数控车床的精度直接影响加工大口径套管螺纹的精度,数控车床任何一部分出现故障都会导致加工螺纹不合格。而加工螺纹的车刀普遍采用数控螺纹车刀，即成型车刀，螺纹的单项参数齿高、螺距、螺纹锥度等几何尺寸主要由成型车刀来保证。但在实际加工过程中，如果刀具出现刀尖崩裂或磨损严重，就会造成超高超差，台阶、平扣、表面粗糙度超差等废品[5]。

1.3 螺纹检验方法

紧密距是API套管螺纹检测的一个重要参数，它能够综合反映螺纹各单项参数及表面加工质量，并对密封完整性和结构完整性影响很大。紧密距的测量都是人工旋合，大口径套管螺纹量规本身较重，在检验过程中不容易保证螺纹接头和量规同轴旋合，量规硬度远高于套管螺纹，在检验紧密距过程中，一旦两者发生非正常干涉，容易划伤螺纹或者粘扣[6]，形成废品。而实际生产中很难做到紧密距100%测量，这就可能连续出现紧密距不合格。

1.4 操作人员素质

操作人员是基层队伍的主体，他们的意识和素质决定了工作质量的高低。例如有些操作人员对本岗位的操作规程掌握不熟练，加工出的废品就会很多，而经验丰富、责任心强的操作人员加工出的废品会很少。

1.5 其他

影响大口径套管加工废品率的因素还有很多，例如，铁屑缠绕刀杆划伤丝扣，车床冷却效果欠佳产生积屑瘤，计量器具使用方法不正确或使用不合格计量器具等，都会影响大口径套管的加工质量。

2 降低大口径套管废品率的措施

2.1 控制好管坯几何尺寸

管坯的几何尺寸直接影响加工螺纹的质量，因此，采购管坯时要制定适宜的采购技术协议，对影响大口径套管加工质量的管端直线度、椭圆度、外径偏差都要比API Spec 5CT-2011标准要求更加严格。套管加工企业应根据实际生产经验，建立企业内部控制接收标准，表1是某套管加工企业对管坯几何尺寸制定的内控标准。实践发现:通过严格执行内控标准要求，能够有效提高大口径加工合格率。

采购的管坯宜选用优良可靠、加工能力强、质量控制完善的制造企业，并建立供方质量档案，对各生产厂家的供货质量做好统计分析。在管坯入厂检验时，对一批管坯初始检验时可按10%进行抽查，随后根据抽查结果加大或减小抽查比例。

2.2 改进加工方法

2.2.1 先调节管端位置再加工螺纹

由于受生产成本和制管工艺的限制，采购的管坯几何尺寸并不是很理想。而管端弯曲造成加工不合格的根本原因是加工管端中心和旋转刀台中心的偏差较大。根据实际生产经验发现:加工管端中心和旋转刀台中心的偏差超过1mm时加工的螺纹容易出现废品。为减少二者之间的偏差，可以对管端弯曲的管子先试车，即对管端外圆进行少量切削，通过观察切削外圆轮廓判断管端弯曲的方向，然后调整管端中心的位置，可向上、下、左、右4个方向进行调节。通过调节可有效减少管端中心和旋转刀台中心的偏差距离，随后再加工螺纹，这样加工的螺纹成品率较高。

表1 某套管加工企业对管坯几何尺寸制定的内控标准

2.2.2 使用防震颤工具加工薄壁套管

在加工大口径薄壁套管螺纹时，可以在加工管端内部放置一个内支撑，通过增加管端的刚性来解决震颤问题。

根据加工大口径套管的规格设计与之相配合的内支撑，内支撑实物如图2所示，此装置已经申请了国家实用新型专利。在加工大口径套管螺纹前，将内支撑放置在管端内壁，通过调节内支撑中间螺母使内支撑与管子内壁相接触，可以增加管端刚性，减少管端震颤而引起的颤纹，降低废品率。

图2 内支撑实物图

2.3 数控车床的保养和刀具选择

2.3.1 数控车床的定期保养与维护

数控车床是属于精密设备，需要正确地操作使用，精心地维护保养。套管加工厂应该制定完备的数控车床保养维护制度，并配备专人进行管理，根据数控车床的使用频次和现状制定合理的年度、月度和日常保养计划，并严格按计划进行设备保养与维护，对使用者进行上岗前培训，确保其操作正确，每日进行设备运行状况检查。这样才能使设备经常处于良好的技术状态，延长数控车床使用寿命，保证加工螺纹质量的稳定性。

2.3.2 选用质量可靠的刀具

螺纹车刀材质大多是硬质合金钢，材质较硬，耐磨性强。螺纹车刀属于消耗品，都有一定的使用寿命。套管加工厂应对各刀具厂家进行对比，对使用螺纹车刀进行动态跟踪，并选用质量稳定的螺纹刀具，可以根据经验判断螺纹车刀的磨损极限，在加工出废品前及时更换螺纹车刀，即减少刀具的浪费又能减少废品。

2.4 使用中径规配合量规检验

由于螺纹紧密距与中径存在一定的比例关系，当单项参数加工偏差越小，椭圆度越小，表面粗糙度越小，紧密距更能精确反映螺纹作用中径的大小。为弥补紧密距不能100%全检的现状，宜采用中径规配合量规检测，以确保实时掌握螺纹紧密距变化，减少紧密距超差现象。

套管螺纹中径公差的确定，就是将螺纹紧密距允许偏差转化为中径公差，即将轴向偏差转化为径向偏差，不考虑锥度、齿高、对紧密距的影响时，公式为中径公差=紧密距公差×锥度标准值。

中径公差值确定后，在检验螺纹中径时，使用中径规可直接读出螺纹中径偏差和椭圆度，操作简单方便，测量频次可达100%。当中径公差和椭圆度变化较大时，就需要用量规检测紧密距，若紧密距值在公差上限或下限时，则要调整螺纹车刀的刀具补偿参数，可有效减少紧密距超差，降低废品率。

2.5 提高操作人员素质

降低大口径套管加工废品率的另一个有效方法就是提高操作人员素质，培养一专多能的技能人才。要教育操作人员养成良好的职业习惯，通过培训等手段提升其操作技能，增强其质量意识和责任心。在加工大口径套管时，高素质的操作人员能时刻检查加工状态，随时发现问题，及时采取有效措施，减少误操作，降低废品率。

3 结论

影响大口径套管加工合格率的原因有很多，要想降低加工废品率就要从各个方面严格控制，采取有效措施，建立完善的加工检验工艺规程和作业文件，并能严格执行和落实，才能把废品率降到最低，为企业创造更多的经济效益。

[1]API Spec 5CT-2011套管和油管规范（第9版）[S].

[2]艾裕丰，吴健，卫尊义，等.API油管和套管螺纹加工与检验探讨[J].焊管，2013,36(5):45-49.

[3]冯钊棠.钢管管端切斜的控制及切斜值测量方法 [J].焊管，2012,35（5）:36-39.

[4]焦斌，董秀娟.管线管端面切斜超差问题的研究与控制[J].石油天然气学报，2012，34（9）:336-338.

[5]于大勇，任立侠，吕姗，等.降低大直径套管接箍加工废品率的措施[J].石油和化工设备，2011,14(1):21-25.

[6]曹峰,许炎林,杜爱龙,等.Φ508mm套管螺纹质量问题探讨[J].石油工业技术监督，2012，28（3）:20-21.