油套管上卸扣扭矩准确度的影响因素及改善措施

王一岑， 苑清英， 符利兵，刘新成，张 俊

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡钢管辽阳石油钢管制造有限公司，辽宁 辽阳111000）

油套管上卸扣扭矩准确度的影响因素及改善措施

王一岑1,2， 苑清英1,2， 符利兵1,2，刘新成1,2，张 俊1,3

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡钢管辽阳石油钢管制造有限公司，辽宁 辽阳111000）

上卸扣扭矩是提高油套管螺纹连接性能的重要因素，为了更准确地检测上扣扭矩，提高上扣质量，分析了上卸扣过程中传感器精度、整机精度以及采集精度等对上卸扣扭矩的影响，并对2种规格的4组样管进行上扣对比试验。结果表明，通过改变校准方法及采样频率等可降低上扣扭矩的离散型及不准确度。最后建议在油套管上扣过程中，采用6个及以上钳牙上扣，均匀夹持接箍，并将背钳调制在水平位置进行上卸扣，可以提高上扣质量，保证油套管螺纹连接的强度。

油套管；上卸扣；扭矩；螺纹连接；扭矩准确性；传感器精度；整机精度；采集精度

Abstract:The screw-on-off torque is an important factor of improving the performance of oil casing thread connection,in order to detect the screw-on torque and increase the screw-on quality,it analyzed the influence of sensor accuracy,the whole machine accuracy,acquisition accuracy and other factors on screw-on torque,and the contrast experiment was carried out for four groups sample tubes(two kinds of specifications).The results showed that the discreteness and inaccuracy of screw-on torque were reduced by changing the calibration method and sampling frequency.Finally it suggested should adopt 6 or more jaws screw-on,uniformly clamping coupling,and modulate back-up wrench in a horizontal position to carry out screw-on-off,can improve the quality of the screw-on,and ensure the strength of the oil casing thread connection.

Key words:casing and tubing;screw-on-off;torque;screw connection;torque accuracy;sensor precision;whole machine accuracy;acquisition precision

石油钻采行业中，油套管的主要连接方式为螺纹连接，螺纹连接性能直接影响到油套管的连接性能和密封性能。油套管接头连接强度是靠内、外螺纹牙齿侧面弹性配合来实现的。油气井发生泄露等事故的原因大都是由于油套管螺纹发生粘扣，造成螺纹连接强度降低、螺纹密封面损坏、密封性能下降等。因此，上卸扣的质量直接影响到油套管螺纹的使用性能。美国石油协会及我国国家标准对不同规格、不同钢级的油套管上扣均给出了严格的扭矩要求。如果上扣扭矩过高，就会增加螺纹损坏、粘扣的几率；如果上扣扭矩不足，则会导致滑脱、泄漏等现象[1-3]。因此要保证内、外螺纹最佳连接性能，提高上扣扭矩控制的准确度十分重要。

1 油套管上卸扣设备工作原理

1.1 主钳、背钳工作原理

上卸扣设备结构如图1所示。上卸扣设备动力由液压站提供，通过换向阀实现上扣、卸扣。背钳、主钳均为开口式，通过液压系统提供压力。背钳浮动，在上扣过程中随丝扣移动，油压驱动油缸将动力传给背钳的颚板及钳牙，使得颚板及钳牙靠近样管将其夹紧。主钳固定，不随上扣过程移动。当主钳转动时，液压马达驱动大齿轮旋转，带动主钳上转子旋转使得颚板在曲面上爬坡，进而抱紧样管。

图1 上卸扣设备结构示意图

1.2 扭矩控制原理

最早国内开发的几种接箍拧接机漏油问题严重，且扭矩是通过测定液压马达的油压来进行换算的。由于液压系统的效率不高，因此就不能准确地测量出实际的扭矩值[4]，并且每次需要调整限压阀以避免扭矩过大。目前上卸扣设备主要是依靠背钳上的压式传感器进行扭矩采集，压式扭矩传感器结构如图2所示。传感器采用皮瓦与油腔相连，压垫通过螺丝固定皮瓦，压盖通过螺丝与油腔固定。在上扣过程中，主钳旋转带动浮动背钳，背钳将力施加到传感器上，压盖压动皮瓦产生压力。通过测量上卸扣设备的背钳力臂进而计算出扭矩，这样就有效避免了液压系统传动效率所引起的误差，提高了采集扭矩的精确度。

图2 压式扭矩传感器结构示意图

1.3 圈速记录

圈速是通过固定在主钳上的编码器来采集的，通过编码器下端齿轮与主钳大齿轮相连实现旋转，计算齿轮之间的比值，将比值输入到软件中，编码器每旋转一次就会产生一个脉冲信号，控制系统将采集到的信号转换为圈速。采集精度可满足标准1‰圈要求。

2 计算油套管上卸扣扭矩的重要性

如果油套管上卸扣扭矩计算不准确，就会直接影响螺纹的连接质量。扭矩过小会导致螺纹上扣不到位，影响使用性能；而扭矩过大容易造成螺纹表面变形或者出现损伤导致粘扣。粘扣一般是由于螺纹的接触应力过大而引起的，接触应力与上扣扭矩及几何约束过盈有关[5]。几何约束过盈主要是由于接箍与管子螺纹配合及加工公差、螺纹镀层厚度等因素的影响。上扣扭矩一般采用Lame公式计算[6]。

式中：T—上扣扭矩；

Pc—接触应力；

μ—摩擦系数；

R—螺纹啮合处的公称节圆半径；

L—螺纹轴向啮合长度。

油套管接箍与管体之间的螺纹相互作用所产生的摩擦力f公式为[7]

通过公式（1）可以看出，当接触应力Pc一定时，扭矩越大，螺纹轴向啮合长度越长，也就是说在高扭矩及低扭矩的情况下，虽然接触应力相等，但由于高扭矩螺纹行走的位移比低扭矩时要长，因此螺纹之间做的功也比较大。当螺纹轴向啮合长度一定时，高扭矩螺纹的接触应力要比低扭矩大，同时螺纹间克服摩擦力做的功也随着接触应力的增大而增大。可见上扣扭矩是影响螺纹粘扣的重要因素。

3 油套管上卸扣扭矩的影响因素

3.1 传感器精度

传感器的精度直接决定着扭矩值的准确性，因此传感器自身标定十分重要。一体式上卸扣设备的压力式扭矩传感器采集的是油压信号。传感器的校准过程如图3所示，首先测量压力式扭矩传感器的截面积V，并根据F=p/V计算出压力p与力F的关系，得到标准压力值，然后施加外力，并用精密压力表检测取得实际压力值，将实际压力值与标准压力值进行比对，得出传递误差，进而确定力与压力的准确值。压力式扭矩传感器校准结果见表1。

图3 传感器校准过程示意图

3.2 整机精度

上卸扣设备由于机械传动系统存在磨损，而这一变化过程是渐进的，所以应对设备定期进行扭矩校准，本研究推荐了一种校准方法及系统。整机校准过程如图4所示，校准系统包括传感器、油管、电磁阀、压力表、压力变送器、数显扭矩显示器。压力式扭矩传感器通过油管与压力表及压力变送器连接，压力变送器与数显扭矩显示器通过屏蔽电缆相连，电磁阀与数显扭矩显示器通过屏蔽电缆相连。

表1 压力式扭矩传感器校准结果

图4 整机校准过程示意图

测量样管到传感器的距离，计算出压力值与扭矩值的关系，根据公式（3）将扭矩值与压力变送器电压V的对应关系K设定到数显扭矩显示器的数据采集器中，当有外力施加到压力式扭矩传感器时，压力p通过油管传到压力表及压力变送器，压力变送器将数模转换信号传到数显扭矩显示器最终将扭矩值显示出来。当到达设定扭矩值时控制单元触发电磁阀关闭，油管内压力保持不变，观察压力表示值与扭矩显示器示值并进行对比修正，当扭矩值出现零点漂移时，需对数显扭矩显示器的零点系数进行重新校准；个别点出现扭矩偏移时，应重新计算该点的扭矩值，并修改对应系数，进而得到准确的扭矩值。

式中：A—扭矩对应的V值；

K—单位压力的V值；

x—p值；

B—数字信号的零点V值。

3.3 控制精度

虽然传感器精度已达到1%的要求，但实际上扣扭矩误差要大于1%甚至更高。按照标准ISO 13679要求，若指定使用高扭矩，则最大扭矩的95%或更高是可接受的。当指定使用低扭矩时，最小扭矩的105%或更低扭矩是允许的[8]。可见，标准对上扣总扭矩提出5%的误差限制，这是因为在实际操作中扭矩误差除传感器误差外还与控制精度有关。上卸扣拧接机扭矩控制是通过泄压阀来完成的，泄压阀未通电时，无电磁力，关闭件在弹簧的作用下压在阀座上；通电时，电磁线圈产生的电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开。泄压阀在上卸扣过程中起了很重要的作用，它是连接在进油口与回油口之间，当扭矩到达设定扭矩时，工控机发出电压信号触发泄压阀开通，压力降为零工作停止。

控制精度主要与上扣速度和采样频率有关。

（1）上扣速度。API RP 5C1[9]要求上扣速度应小于25 r/min。上扣速度过快会使螺纹间温度过高，加剧螺纹的连接粘扣失效。试验结果表明，当接箍表面温度超过60℃时，螺纹处可能已经发生粘扣，即使扭矩达到了标准要求，但是余扣数、紧扣全数等却不能满足标准要求[10-11]，导致螺纹连接及密封性能降低。另外，泄压阀存在响应延时，上扣速度过快时泄压阀因来不及响应而导致误差。因此，上扣速度慢，泄压阀响应速度快时检测的扭矩值更为准确。

图5 油套管上扣对比试验结果

（2）采样频率。采样频率（Hz）等于扫描速率乘以采样点。上扣连接过程中扫描速率为500次/s的信号输入，每个数据采样点都是五个样本的平均值。当扭矩变化量大时，扫描速率小会使得数据采集不能准确反映实际扭矩的变化，因此泄压阀得到指令时的电压信号的误差也相对较大，最终导致扭矩偏差过大。因此要提高精度就要相应提高采样频率。

4 油套管上扣对比试验

根据上述办法，进行油套管上扣对比试验，试验结果如图5所示。试验时，分别取Φ244mm×10.03 mm 的 N80－1套管、Φ139.7 mm×9.17 mm的N80套管各12根，每6根分为一组进行上扣比对试验。第一组上扣条件为速度10 r/min，电磁阀响应速度20 ms，采样频率600 Hz；第二组上扣条件为上扣速度5 r/min，电磁阀响应速度1 ms，采样频率1 000 Hz。扭矩均为最大扭矩值，扭矩参考GB 17745标准。试验结果表明，第二组上扣扭矩离散型及误差均优于第一组。可见优化传感器及控制精度可提高扭矩的准确值。

5 油套管上卸扣设备操作建议

（1）背钳的选择及背钳夹持力。目前上卸扣设备中背钳每一个颚板固定2个钳牙。有限元分析结果表明，采用6个钳牙上扣时管子截面的等效应力均比采用4个钳牙上扣时低。实际验证结果表明，采用4个钳牙对油套管进行上卸扣，发现接箍在试验后变形量为0.3～0.5 mm[12]，变形后螺纹接触应力会増大，影响上扣扭矩以至粘扣。而采用6个及以上钳牙上扣时，均匀夹持接箍，会有效的降低等效应力，提高了上扣质量。

（2）夹持位置及背钳夹持力。实验及有限元模拟发现，当背钳夹持工厂端时，螺纹间等效应力及接触应力值较小，夹持位置偏于现场端时接触应力变大，这是由于夹持力的存在，影响接箍弹性变形[13]。因此夹持位置应尽量靠近工厂端，同时建议在现场端上扣时放置衬管。由于上卸扣设备主钳为主动钳，背钳为被动钳，上扣扭矩通过主钳旋转来实现，主钳动力与背钳夹持力应该相等。如果主钳动力大而夹持力小就会打滑，不仅会划伤管体表面，而且扭矩也会不够；而背钳持力过大会导致螺纹间的接触应力増大，严重时会导致接箍变形，按照规定扭矩值上扣时会出现外露扣多的情况，导致螺纹粘扣影响螺纹连接强度。因此，采用背钳固定夹持力进行夹持时，应采用公式（4）来计算设备的夹持力与上扣扭矩[14]。

式中：T—扭矩；

Q—压力差；

V—主钳液压马达流量；

η—机械效率；

K—主动轮与从动轮的比值系数。

（3）水平对中。由于一体式上卸扣设备背钳随上扣过程浮动，在夹紧管子时，由于管子的自重会使得背钳倾斜，增加了力臂长度，影响上扣扭矩。同时由于在采用机械上紧时，螺纹连接尚处于松动状态，背钳倾斜使得内外螺纹不同心形成偏口现象[15]，这时主钳夹紧上扣会导致接触应力不均匀、螺纹错口等现象导致粘扣。因此建议应在背钳放置水平尺，将背钳调制在水平位置进行上、卸扣。

6 结束语

油套管上卸扣扭矩准确性主要与设备精度、传感精度及控制精度有关，通过试验证明提高精度可使得最终上扣扭矩的误差及离散型降低。建议上扣时采用6个及以上钳牙上扣，均匀夹持接箍，并将背钳调制在水平位置进行上、卸扣，以提高上扣质量。

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Torque Accuracy Influence Factors and Improvement Measures of Casing and Tubing Screw-on-off

WANG Yicen1,2,YUAN Qingying1,2,FU Libing1,2,LIU Xincheng1,2,ZHANG Jun1,3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.BSG Group Liaoyang Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Liaoyang 111000,Liaoning,China）

TE931.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.011

2016-08-23

编辑：罗 刚

王一岑（1986—），男，本科，工程师，目前主要从事无损检测工作。