高精度小間隙石油管螺紋梳刀
時間:2011-06-05 08:57:51 來源:未知
石油管螺紋是石油行業應用較廣泛的連接螺紋，通常采用單齒或多齒硬質合金石油管螺紋梳刀在普通車絲機床或NC車絲機床上加工。90年代以來，隨著石油工業的發展，各油田對抽油泵及井下工具產品的連接螺紋提出了更高的要求。為了便于檢測和維修，要求各廠提供的油管螺紋零件裝配時不得纏繞密封帶或涂密封膠，只允許涂抹少量絲扣密封脂(主要起潤滑作用)，并規定只能由一人用摩擦鉗擰緊，試壓壓力達30MPa,保壓5分鐘不滲漏，應保證多次拆卸無咬傷。對于這一系列新的要求，我們從本廠實際情況出發，開發出高精度小間隙石油管螺紋梳刀，取得了良好的應用效果。
圖1
圖2
1 石油管螺紋的特點及密封機理
石油管螺紋的特點：①螺紋牙型角平分線垂直于螺紋軸線；②螺紋牙頂、牙底為圓弧形，因牙型角為60°，圓弧半徑分別等于牙頂、牙底削平高度；③外螺紋牙頂與內螺紋牙底或內螺紋牙頂與外螺紋牙底之間的手緊間隙為0.076mm；④油管螺紋的手緊緊密距A為2牙，而機緊時接箍或內螺紋端面可緊至消失點平面，即機緊后可視余牙數為零。
石油管螺紋連接旋緊時，由于有1∶16的錐度，內外螺紋牙頂與牙底之間的兩條空間螺旋狀間隙帶將在緊扣扭矩的作用下逐漸縮小，但由于錐度誤差的影響，一般只有一牙或數牙的螺紋牙形連接較緊密，出現過盈量，其余相鄰數牙的過盈量逐漸減小，以致出現間隙。若以上述扣數為2牙計算，在接箍或內螺紋密封段的軸向剖面內，外螺紋牙型尺寸在半徑方向上增大了(1:16)/2×5.08＝0.158mm(指10牙/英寸螺紋，以下未注明者均指該類型螺紋)。在不考慮錐度、螺距、牙型三種誤差及內外螺紋牙型同時受擠壓產生的變形等因素的條件下，石油管螺紋連接機緊后，在內外螺紋牙頂與牙底之間產生的理論過盈量為：0.158-0.076＝0.082mm。
2 梳刀制造公差對石油管螺紋密封性能的影響
石油管螺紋連接時的基本手緊間隙(0.076mm)在理論上等于油管螺紋牙型的牙頂削平高度與牙底削平高度之差，但在具體螺紋加工時，則取決于螺紋梳刀的牙頂、牙底削平高度。由于石油管螺紋梳刀存在一定的制造誤差，因而被加工的石油管螺紋的手緊間隙量也是變化的。當刀片牙頂、牙底削平高度參數的制造公差為±0.02mm時，被加工螺紋的手緊間隙值的變化范圍則為0.036～0.116mm(牙型角制造公差±30'對手緊間隙值的影響較小)。因此，石油管螺紋連接時，由于梳刀制造公差的影響，基本手緊間隙值0.076mm可能增大或減小0.04mm。
在石油管螺紋加工中，由于機床刀具造成的各種誤差，以及加工方法、工件飛邊毛刺、牙頂碰傷等因素的影響，將使石油管螺紋連接時的基本手緊間隙增大很多，累積手緊間隙值可達0.257mm以上，超過了機緊兩圈所能消除的間隙0.158mm，因此，累積誤差大的石油管螺紋機緊連接后，往往出現螺紋泄漏。如果此時再出現刀具使用不當，或牙型未梳完整，造成牙型高度處于極限偏差狀態(如內螺紋牙高為最大，外螺紋牙高為最小)，則二者連接后(見圖1)，內外螺紋牙頂與牙底之間的兩條空間螺旋狀間隙帶中的一條將變得更大。在這種情況下，如不采用軟金屬材料鍍層作間隙填充劑，則油管螺紋連接機緊后必將產生泄漏，而另一條間隙帶也會因過盈及變形造成粘扣和牙型咬傷。
3 高精度小間隙石油管螺紋梳刀
為了提高石油管螺紋的密封性能，滿足用戶對抽油泵及井下工具產品油管螺紋連接所提出的要求，我廠根據梳刀制造公差對油管螺紋密封性能的影響，采取提高梳刀牙頂、牙底削平高度的制造精度，將公差帶相對于基本尺寸對稱配置改為單向配置等措施，從而縮小石油管螺紋的手緊間隙及其變化范圍。我廠開發的高精度小間隙石油管螺紋梳刀牙型的主要尺寸及公差見表1，對應的2齒油管螺紋內、外梳刀刀片牙型形狀見圖2，其中d為梳刀精切齒右側與左側及相鄰粗切齒牙底削平高度的距離。
表1 高精度小間隙油管螺紋梳刀牙型
梳刀
規格
螺距
P#p#分頁標題#e#
牙頂削平高度
h上及其公差
測牙底時移動距離
P1
牙底削平高度
h下及其公差
測量值d
及其公差
10牙/
英寸
2.54
0.356+0.016
1.247
0.432-0.016
0.079+0.02
8牙/
英寸
3.175
0.432+0.016
1.559
0.508-0.016
0.099+0.02
4 應用效果
高精度小間隙石油管螺紋梳刀與普通梳刀相比，螺紋手緊間隙值的變化范圍由0.036～0.116mm減小為0.044～0.076mm。這樣，可使內、外螺紋牙頂與牙底之間的兩條螺旋間隙帶的差值由0.08mm縮小至0.032mm，便于螺紋機緊后同時密封和避免粘扣與咬傷；同時又可使螺紋手緊間隙值的下限增大0.008mm，上限減小0.04mm，不但減小了石油管螺紋連接時的累積手緊間隙值，提高了密封性能，而且還延長了梳刀的使用壽命。
近年來，在成都工具研究所的大力支持下，高精度小間隙石油管螺紋梳刀在我廠得到了廣泛的應用。目前，我們在螺紋加工中已把螺紋累積螺距誤差減小到±0.02mm以下，并在石油管螺紋梳刀的安裝使用、螺紋的檢測、試壓規范、工藝規程的完善等方面采取了一系列控制措施，使所生產的油管螺紋零件僅涂少量絲扣密封脂，即可由一人用摩擦鉗擰緊，在試壓壓力達39MPa以上，保壓20分鐘的情況下，仍未出現泄漏，拆卸亦無咬傷。