高精度小间隙石油管螺纹梳刀
时间:2011-06-05 08:57:51 来源:未知
石油管螺纹是石油行业应用较广泛的连接螺纹，通常采用单齿或多齿硬质合金石油管螺纹梳刀在普通车丝机床或NC车丝机床上加工。90年代以来，随着石油工业的发展，各油田对抽油泵及井下工具产品的连接螺纹提出了更高的要求。为了便于检测和维修，要求各厂提供的油管螺纹零件装配时不得缠绕密封带或涂密封胶，只允许涂抹少量丝扣密封脂(主要起润滑作用)，并规定只能由一人用摩擦钳拧紧，试压压力达30MPa,保压5分钟不渗漏，应保证多次拆卸无咬伤。对于这一系列新的要求，我们从本厂实际情况出发，开发出高精度小间隙石油管螺纹梳刀，取得了良好的应用效果。
图1
图2
1 石油管螺纹的特点及密封机理
石油管螺纹的特点：①螺纹牙型角平分线垂直于螺纹轴线；②螺纹牙顶、牙底为圆弧形，因牙型角为60°，圆弧半径分别等于牙顶、牙底削平高度；③外螺纹牙顶与内螺纹牙底或内螺纹牙顶与外螺纹牙底之间的手紧间隙为0.076mm；④油管螺纹的手紧紧密距A为2牙，而机紧时接箍或内螺纹端面可紧至消失点平面，即机紧后可视余牙数为零。
石油管螺纹连接旋紧时，由于有1∶16的锥度，内外螺纹牙顶与牙底之间的两条空间螺旋状间隙带将在紧扣扭矩的作用下逐渐缩小，但由于锥度误差的影响，一般只有一牙或数牙的螺纹牙形连接较紧密，出现过盈量，其余相邻数牙的过盈量逐渐减小，以致出现间隙。若以上述扣数为2牙计算，在接箍或内螺纹密封段的轴向剖面内，外螺纹牙型尺寸在半径方向上增大了(1:16)/2×5.08＝0.158mm(指10牙/英寸螺纹，以下未注明者均指该类型螺纹)。在不考虑锥度、螺距、牙型三种误差及内外螺纹牙型同时受挤压产生的变形等因素的条件下，石油管螺纹连接机紧后，在内外螺纹牙顶与牙底之间产生的理论过盈量为：0.158-0.076＝0.082mm。
2 梳刀制造公差对石油管螺纹密封性能的影响
石油管螺纹连接时的基本手紧间隙(0.076mm)在理论上等于油管螺纹牙型的牙顶削平高度与牙底削平高度之差，但在具体螺纹加工时，则取决于螺纹梳刀的牙顶、牙底削平高度。由于石油管螺纹梳刀存在一定的制造误差，因而被加工的石油管螺纹的手紧间隙量也是变化的。当刀片牙顶、牙底削平高度参数的制造公差为±0.02mm时，被加工螺纹的手紧间隙值的变化范围则为0.036～0.116mm(牙型角制造公差±30'对手紧间隙值的影响较小)。因此，石油管螺纹连接时，由于梳刀制造公差的影响，基本手紧间隙值0.076mm可能增大或减小0.04mm。
在石油管螺纹加工中，由于机床刀具造成的各种误差，以及加工方法、工件飞边毛刺、牙顶碰伤等因素的影响，将使石油管螺纹连接时的基本手紧间隙增大很多，累积手紧间隙值可达0.257mm以上，超过了机紧两圈所能消除的间隙0.158mm，因此，累积误差大的石油管螺纹机紧连接后，往往出现螺纹泄漏。如果此时再出现刀具使用不当，或牙型未梳完整，造成牙型高度处于极限偏差状态(如内螺纹牙高为最大，外螺纹牙高为最小)，则二者连接后(见图1)，内外螺纹牙顶与牙底之间的两条空间螺旋状间隙带中的一条将变得更大。在这种情况下，如不采用软金属材料镀层作间隙填充剂，则油管螺纹连接机紧后必将产生泄漏，而另一条间隙带也会因过盈及变形造成粘扣和牙型咬伤。
3 高精度小间隙石油管螺纹梳刀
为了提高石油管螺纹的密封性能，满足用户对抽油泵及井下工具产品油管螺纹连接所提出的要求，我厂根据梳刀制造公差对油管螺纹密封性能的影响，采取提高梳刀牙顶、牙底削平高度的制造精度，将公差带相对于基本尺寸对称配置改为单向配置等措施，从而缩小石油管螺纹的手紧间隙及其变化范围。我厂开发的高精度小间隙石油管螺纹梳刀牙型的主要尺寸及公差见表1，对应的2齿油管螺纹内、外梳刀刀片牙型形状见图2，其中d为梳刀精切齿右侧与左侧及相邻粗切齿牙底削平高度的距离。
表1 高精度小间隙油管螺纹梳刀牙型
梳刀
规格
螺距
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牙顶削平高度
h上及其公差
测牙底时移动距离
P1
牙底削平高度
h下及其公差
测量值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 应用效果
高精度小间隙石油管螺纹梳刀与普通梳刀相比，螺纹手紧间隙值的变化范围由0.036～0.116mm减小为0.044～0.076mm。这样，可使内、外螺纹牙顶与牙底之间的两条螺旋间隙带的差值由0.08mm缩小至0.032mm，便于螺纹机紧后同时密封和避免粘扣与咬伤；同时又可使螺纹手紧间隙值的下限增大0.008mm，上限减小0.04mm，不但减小了石油管螺纹连接时的累积手紧间隙值，提高了密封性能，而且还延长了梳刀的使用寿命。
近年来，在成都工具研究所的大力支持下，高精度小间隙石油管螺纹梳刀在我厂得到了广泛的应用。目前，我们在螺纹加工中已把螺纹累积螺距误差减小到±0.02mm以下，并在石油管螺纹梳刀的安装使用、螺纹的检测、试压规范、工艺规程的完善等方面采取了一系列控制措施，使所生产的油管螺纹零件仅涂少量丝扣密封脂，即可由一人用摩擦钳拧紧，在试压压力达39MPa以上，保压20分钟的情况下，仍未出现泄漏，拆卸亦无咬伤。