自然伽马能谱测井仪螺纹连接粘扣分析及预防措施.docx

自然伽马能谱测井仪螺纹连接粘扣分析及预防措施林 坤 ，张建军，刘东友(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)摘 要：石油测井仪器的工作环境极其恶劣。随着测井深度的增加，温度不断升高，压力也不断加大，温度会达到 175，压力也会达到 140mpa，加上泥沙、油污严重，自然伽马能谱测井仪螺纹连 接粘扣导致无法使用甚至报废的情况时有发生。通过对自然伽马能谱测井仪螺纹连接方式和粘结过 程的研究，分析了螺纹表面硬度、螺纹表面处理、螺纹几何参数、螺纹脂、使用或装配不当等因素 对螺纹连接粘扣的影响，针对性的提出了防止和减少（减轻）螺纹粘扣的技术措施，为产品的防粘 扣设计提供参考。关键词：粘扣；硬度；螺纹；措施中图分类号：th138文献标识码：aanalysis of causes and taking measures for threaded connection galling of naturalgamma ray spectrum logging toollin kun, zhang jian-jun, liu dong-you(the 718th research institute of csic, handan 056027, china)abstract: the working environment of oil well logging tool was extremely bad. with the increase oflogging depth, the temperature increased and the pressure was increased. when temperature was reached to175 and the pressure was reached to 140mpa with serious sediment and oil pollution, the situation that threaded connection galling of natural gamma ray spectrum logging tool was unused and even scrapped was occurred sometimes. through the threaded connection and galling process of natural gamma ray spectrum logging tool were researched, threaded connection galling causes due to threaded surface hardness, threaded surface treatment, threaded geometric parameters, thread compounds, and abnormal operation and improper assembly were analyzed. different measures were proposed to prevent or reduce thread galling and were provided as a reference for product design.keywords: galling, rigidity, thread, measures拉压、弯曲、内外压力等多种静载荷或动载荷，此外，还要受到地层介质的腐蚀作用。通过对仪器的使用， 发现螺纹连接处出现粘扣现象，影响了仪器的正常工0 前 言自然伽马能谱测井仪在使用过程中要承受预紧、 22 舰船防化2013 年第 4 期作，并造成了经济损失。因此，研究自然伽马能谱测井仪螺纹连接粘扣问题具有重要的现实意义。 粘扣是一种发生在相互接触金属表面间的冷焊。这主要是指在自然伽马能谱测井仪的拆装过程中，相 互间的内螺纹（外壳体上的螺纹）和外螺纹（螺纹环 上的螺纹）的旋转表面在摩擦力的作用下，由于表面 的粗糙度和形状误差的原因，造成从点接触开始，局 部接触点上的压力过高，超过基体金属屈服点的应力， 从而在接触点产生塑性变形直到实际接触面积增加 到足够支持其载荷为止，在塑性变形中如果没有镀层 存在，或者镀层在切向运动时发生了破裂，则在温度 作用下接触点两侧会发生局部再结晶、扩散或融化等，表面之间极易发生粘合，从而产生“冷焊”现象1。检修和维护。2 粘扣过程分析粘扣是一个磨损和局部屈服黏合的复合过程。对于内、外螺纹旋合面之间的接触，由于存在加工形状 误差和微观表面的不平，其接触必然是从点开始。随 着拧接的进行，其接触点将发生弹性和塑性变形，以 此来增大接触点数和接触点的面积，只有当这种弹性 和塑性变形发生到足够程度，才能形成局部的、不完 全连续的面接触。在拧紧过程中接触点、接触面的弹 性和塑性变形而引起的黏着磨损，是主要的磨损形式。随着接触面上的接触应力不断加大，由于两个彼 此相互作用的内、外螺纹表面并不是理想的平滑，存 在一定的表面粗糙度，在摩擦力的作用下局部接触点 上的压应力非常高，超过基体屈服应力，从而产生宏 观塑性变形，直到实际接触面积增加到足够支持其载 荷为止。在塑性变形过程中，螺纹表面极薄的一层氧 化膜发生破裂，在常温下接触区域两侧发生局部再结 晶、扩散或融化，表面之间的宏观粘合，产生“冷焊” 现象。1 自然伽马能谱测井仪螺纹连接方式图 1 螺纹连接方式fig.1 threaded connection在使用过程中，自然伽马能谱测井仪的连接方式 采用图 1 所示的螺纹连接方式。外壳体 1 和外壳体 2 上的螺纹均为内螺纹，螺纹环 1 和螺纹 2 上的螺纹均 为外螺纹。自然伽马能谱测井仪通过转换接头上的螺 纹环 1 与其他型号的仪器的外壳体 1 挂接，通过转换 接头上的螺纹环 2 与自身的仪器外壳 2 相连接。螺纹连接具有连接强度大、稳定好及拆装方便等 特点。螺纹连接质量：除螺纹环与外壳体的材质外， 主要取决于螺纹加工质量，如螺纹形状和尺寸、表面 光洁度等因素；生产操作，如使用刀刃、切削速度、 润滑冷却等，也会使螺纹出现形状尺寸不合，切削表 面存在毛刺、裂纹等缺陷，在螺纹连接时出现螺纹断 扣、粘扣等问题。其中又以螺纹粘扣问题尤为严重， 直接影响仪器的使用和拆装，使螺纹变形损坏，严重则螺纹粘扣无法进行拆装操作，无法进行仪器的正常3 螺纹连接粘扣的因素和机理3.1 螺纹表面硬度对粘扣性能的影响当螺纹表面热处理硬度达不到要求时，外壳体或螺纹环的材料力学性能低，如屈服强度s s 、拉伸强 度s b 低，表面硬度低。在此情况下，不耐磨损，耐 温性能差，如果齿面接触应力大于材料本身的屈服强 度，在拆装过程中容易发生粘扣。3.2 螺纹表面处理对粘扣性能的影响2影响螺纹粘扣性能的表面处理技术：（1）采用软氮化、渗硼、渗钒、硫氮共渗处理， 硫氮碳共渗处理，使渗层的表面硬度提高而难于屈服， 可有效的减轻粘着磨损。（2）螺纹表面喷砂处理技术，表面喷砂处理能 清除机械加工件微毛刺。经喷砂后，能提高 0.51 级 表面粗糙度，被喷表面有微观均匀的凹坑，能保持贮2013 年第 4 期自然伽马能谱测井仪螺纹连接粘扣分析及预防措施 23 存润滑油，改善润滑条件。（3）采用磷化、法兰、渗流等表面处理方法， 使金属表面形成一层化合物，避免金属之间的直接接 触，有效降低甚至避免粘着磨损。磷化、镀铜、镀锌、 镀锡等技术在螺纹表面处理上得到应用。表面处理不合格3的现象包括：(1)表面处理层 厚度不够，在使用中很容易磨掉；(2)表面处理强度 和韧性不足，在使用中容易破碎脱落；(3)表面处理 层不一致密，有孔洞、砂眼等缺陷，在放置和使用过 程中容易生锈；(4)表面处理层与基体结合力不强， 在使用中容易剥离脱落。一旦表面层脱落，在拆装过 程中外壳体上的内螺纹和螺纹环上的外螺纹上基体 金属就会直接接触，很容易发生粘扣。3.3 螺纹几何参数对粘扣性能的影响（1）螺距当内螺纹和外螺纹的螺距处于 2 个极限偏差时， 在上紧过程中整个螺纹受到的应力将不一致，应力大 的部位会过早发生粘扣。（2）齿形角 内外螺纹齿形角角度不同时，会造成螺纹局部应力过大，该部位将最先发生粘扣，进而引发大面积螺 纹粘扣。（3）螺纹表面粗糙度 机械加工外壳体和螺纹环上的螺纹表面粗糙，内、外螺纹旋合时容易粘扣。螺纹表面的粗糙度与加工螺 纹的刀具和车床的精度、性能等有关。螺纹表面光洁 度不达标时，上扣摩擦阻力大。3.4 螺纹脂质量对粘扣性能的影响螺纹脂的作用：润滑螺纹表面，减少摩擦，防 止粘扣和生锈。质量低劣、混入杂物（沙粒、铁屑等） 的螺纹脂不具有上述功能，容易使螺纹接头生锈，甚 至粘扣。3.5 使用或装配不当的影响在上、卸扣过程中形成粘扣；对扣偏斜会使内外螺纹接头不同心，仅有局部区域接触，最终导致螺纹接头 在上、卸扣过程中发生粘扣。（2）上、卸扣速度过快形成粘扣 上、卸扣的速度过快，外螺纹沿着内螺纹的螺旋牙槽旋进时会产生附加的冲击载荷，很容易损伤螺纹 形成粘扣。如果存在偏斜对扣，快速上、卸扣更容易 导致粘扣和错扣。3.6 螺纹连接粘扣机理4螺纹连接发生粘扣，主要是由于内、外螺纹存在 应力不均匀分布和尺寸累积偏差等原因促使拧接力 矩增大。在大力矩作用下，必然使连接螺纹局部产生 不均匀变形（该螺纹部位金属晶格弯扭释放出大量热 能使温度升高，使金属熔点降低），使螺纹在高温和 高压应力作用下产生焊接（熔合）作用。4 螺纹连接粘扣的预防措施自然伽马能谱测井仪螺纹粘扣的原因涉及到材料性能、螺纹加工精度、螺纹参数匹配、表面处理质 量、螺纹脂质量等因素，要解决粘扣问题就要对这些 问题进行研究分析，寻找解决问题的办法。（1）材料要求 不同的材料具有不同的抗粘扣性能。如果将相互连接件用不同材料加工，或者对相连零件规定用不同 硬度指标，可以减弱材料自融速度，减少冷焊导致的 粘扣现象。在设计、使用外壳体和螺纹环时避免使用 同一种材料。（2）提高外壳体和螺纹环的表面硬度，降低表面 残余应力。表面残余应力的大小，除对外壳体和螺纹环的耐 腐蚀性有影响以外，还对粘扣性能有一定的影响，特 别是齿面接触应力与齿面残余应力叠加时，容易引起 粘扣。对外壳体和螺纹环进行热处理，表面硬度提高， 同时相应增加材料屈服强度和抗变形的能力，从而增 加抗粘扣的能力。外壳体热处理后的硬度要比螺纹环的硬度至少（1）对扣不当形成粘扣对扣速度过快或偏斜容易损伤螺纹，造成偏斜上扣，最终导致粘扣或错扣。对扣速度过快容易使接头承受冲击载荷，损伤螺纹， 24 舰船防化2013 年第 4 期高一个级别。这是出于维修成本的考虑。一旦螺纹环和壳体发生“咬死”，必须要破坏一个时，往往选择 破坏加工成本较低的螺纹环，保住壳体5。自然伽马能谱测井仪的外壳体和螺纹环采用的 材料和热处理硬度见表 1 所示。表 1 材料和热处理硬度tab.1 material and heat treatment hardness最终在接触干涉严重的部位发生粘扣。合理匹配能使内、外螺纹处于最佳的配合状态，对于提高螺纹抗粘 扣性能很有作用。（6）优选螺纹脂 优选螺纹脂应从螺纹脂成分、摩擦因数、润滑效果等方面着手。在使用之前，清理螺纹表面，特别是 内螺纹表面的毛刺，防止产生接触应力集中的屈服质 点。内螺纹的毛刺可用 h6 级螺旋槽丝锥沾机油清除； 外螺纹可用 200#400#砂纸清理。（7）按照现行有效的操作规范上扣，保证对扣速度适中、不偏斜。性能名材料热处理硬度称外壳体 1tc6hrc3538螺纹环 1qal10-3-1.5hrc20225 结 语外壳体 20cr17ni4cu4nbhrc41影响自然伽马能谱测井仪螺纹连接粘扣的因素较多，对于任何影响因素的单一的研究都难以在实际 应用中取得明显的效果。必须综合考虑各种影响因素， 才能够使自然伽马能谱测井仪器的抗粘扣性能得到 显著的改善。螺纹环 21cr17ni2hrc2832（3）合理选择表面处理方式表面处理层厚度是衡量表面处理层质量优劣的 主要指标之一。表面处理层的耐磨性是衡量表面处理 层质量优劣的重要指标。应对表面处理层的厚度进行 检查，对其耐磨性也应进行检查。自然伽马能谱测井 仪的螺纹环 2 采用 c、n、s 共渗的表面处理方式， 渗层为 0.1 mm 0.2mm，表面并进行法兰处理。（4）提高外壳体和螺纹环的螺纹加工精度应选用高精度专用金属切削机具、高精度专用工 具器具以及优质的成型刀具等进行加工。加工螺纹应 光滑无缺陷，不得有撕破、刮伤、屑瘤等缺陷存在。 改善螺纹表面粗糙度，可提高螺纹抗粘扣能力。减小 螺纹表面粗糙度可以降低内螺纹和外螺纹的高点，提 高螺纹的抗粘合性能。外壳体和螺纹环的螺纹表面粗 糙度要求达到 ra 0.8 um 1.6um。（5）螺纹参数合理匹配为避免粘扣的发生，要严格控制内外螺纹梳刀的 几何参数，加强刀具的互换性，同时装夹刀具要控制 准确对正。要控制半角 15，半角中心线要对正。内外螺纹参数合格不等于接头不发生粘扣。内、外螺纹参数不匹配，在上扣过程中内、外螺纹的某些 部位会首先接触干涉，而其他部位则不会接触干涉，参 考 文 献1 马刘宝, 朱靖, 赖