CN1914449A - 油井管用螺纹接头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种油井管用螺纹接头及其制造方法，其是通过改良现有的油井管用螺纹接头而确保充分的疲劳破坏强度。螺纹底部的轴向残留应力从表面到40μm的深度之间，作为X射线应力分析的值在－400MPa以下。
Description
技术领域
本发明涉及油井管用螺纹接头及其制造方法。
背景技术
近年来，随着油田和气田勘探技术及开采技术的提高，即使从深度数千米的油田进行产油也不足为奇。这样的油井所使用的油井管上升为庞大的数量，提供于使用的各油井管要能够通过螺纹接头一边确保其密封性，一边连结成一串。
在专利文献1中，以通过提高表面硬度而提高耐磨蚀性(gallingresistance)为目的，开发有对钢管接头的金属对金属密封部进行喷丸(shotpeening)处理的技术。另外，在专利文献2中，开发有对以重量比计含有10％以上的Cr的高铬钢，提高阳螺纹或阴螺纹任意一方的螺纹部密封部的硬度，且将提高了硬度的一方的表面粗糙度规定为0.25～1.00μm，从而使耐磨蚀性提高的技术。
专利文献1：特开平6-99354号公报
专利文献2：特开平8-145248号公报
近年来海洋部的油田或气田的开发，向更深处、开发更为困难之处扩展着。随之而来的是对于海底和海上钻塔(rig)之间的海中部分的管道，与耐磨蚀相比反而更重视疲劳破坏强度，要求疲劳破坏强度高的接头的情况正在变多。
作为提高油井管用螺纹接头的疲劳破坏强度方法之一，考虑有使用原本疲劳破坏强度就很高地这样制成的产油用衬管(liner)，或开发专用的接头而使用的方法，但是，其存在成本变高这样的问题。因此，使用现有的特殊接头，或者通过其改良而使之具有需要的性能的构件的要求强烈。另一方面，作为提高材料的疲劳破坏强度的一般性方法，公知有实施材料表面喷丸处理而提高表面的硬度的方法。
但是，在专利文献1、2中，没有想到疲劳破坏强度的提高这样的课题，因此其内容也没有涉及到与疲劳破坏强度的提高相关的技术性的方法的开发。
此外，油井管用螺纹接头的疲劳破坏的起点，大多在其螺纹部，在现有的喷丸处理中，均匀地处理螺纹部很困难。由此在油井管用螺纹接头中，一般采用API螺纹形状等的特殊的螺纹形状。
例如，图7所示的锯齿(buttress)螺纹形状的情况，一般认为是关于螺纹接头的疲劳破坏强度的临界点(critical point)的螺纹底角弯曲部的尺寸，是半径0.2mm。因此，将使用径的最小值为0.5mm左右的粒子的现有的喷丸处理适用于此部分，而得到一样的硬度很难。特别是，如图8所示，对于形成有API圆螺纹形状的油井管用螺纹接头来说，要应用现有的喷丸处理的本身就成为另一个问题。
因此，本发明的课题在于，提供一种油井管用螺纹接头及其制造方法，其是通过对例如形成有API的锯齿螺纹形状和圆螺纹形状等特殊形状的螺纹的现有的油井用螺纹接头加以改良，从而确保充分的疲劳破坏强度。
发明内容
以下说明本发明。还有，为了便于本发明的理解，由括号描述来附加注解图纸的参照符号，但是，其并不由此限定于本发明的图示的形态。
本发明的第一形态，是螺纹底部的轴向残留应力从表面到40μm的深度之间，作为X射线应力分析的值为400MPa以下的油井管用螺纹接头。
根据此第一形态的油井管用螺纹接头，从构成接头的金属材料的表面到40μm的深度，压缩方向的应力残留400MPa以上。因此材料表面附近的龟裂难以产生，材料金属的疲劳破坏强度高。因而，能够提供一种油井管用螺纹接头，其可以面向更深的开发困难的油田、气田的应用。
本发明的第二形态是油井管用接头的制造方法，其包含以空压0.3～0.5MPa，对被处理材的表面喷射、喷出具有HRC50以上的硬度而且粒子径为30～300μm的粒子的工序。这里所谓“粒子径”，是指具有一定的粒子径范围的粒子的集合的中央值(中值median)的粒子径。另外，高速向被处理材表面喷射、喷出如此细微的粒子的工序，以下称为“微喷丸处理”。
该第二形态的油井管用螺纹接头的制造方法，是对现有的油井管用螺纹接头应用微喷丸处理，使其疲劳破坏强度提高的制造方法。
因此，为了疲劳破坏强度提高而无需特别的设计和材料，而是直接使用现有使用的油井管用螺纹接头，所以成本能够降低。另外，根据此第二形态的油井管用螺纹接头的制造方法，是将比被处理材更硬的细微的粒子，以高速喷射、喷出至构成油井管用螺纹接头的材料表面。如此，在材料表面附近的比较浅的部位，形成压缩方向的最大残留应力，由此抑制成为疲劳破坏的起点的龟裂的发生。因为被喷射的粒子很细微，所以，即使油井管用螺纹接头的各部位为复杂的形状、细小的形状，粒子也能够被均匀地喷出。因此，可以在油井管用螺纹接头的表面部整个面，一样地实现疲劳破坏强度的提高。
在所述第二形态中，螺纹形状可以为API的、锯齿螺纹或圆螺纹的任何一种。
据此，能够具有微喷丸处理的特征，该微喷丸处理可使粒子喷射直到现有的粒子径大的喷丸处理不可能到达的螺纹底角弯曲部，从而确保充分的疲劳强度。
在上述第二形态(含变形例)中，优选粒子径为50～100μm。
当如此构成时，在构成油井管用螺纹接头的材料表面附近更浅的部位，能够使更大的最大压缩方向残留应力发生，进一步提高疲劳破坏强度。
在本发明中，也可以使用具有一个峰值的粒子径分布的粒子。
另外，也可以将具有各自不同的峰值的多个种类的粒子混合使用。此外，也可以准备粒子径峰值不同的两种以上的粒子，喷射一种粒子后，再依次喷射其他的粒子，如此而构成。在如此构成时，从减小喷射后的被处理表面粗糙度的观点出发，优选先从粒子径大的喷射。通过最终减小面表粗糙度，能够得到更高的疲劳破坏强度。
另外在所述第二形态(含各变形例)中，喷射、喷出处理优选只对不完全螺纹部进行。
在如此构成时，该机制(mechanism)不确定，但是可以进一步提高疲劳破坏强度。
此外，在所述第二形态(含各变形例)中，喷射、喷出处理优选在3秒/cm2(被处理面每1cm2，在3秒以下进行喷射、喷出处理)以下进行。
据此，能够高效率地将微喷丸处理应用于油井管用螺纹接头。
根据本发明将微喷丸处理应用于油井管用螺纹接头，能够实现疲劳破坏强度的提高。通过微喷丸处理的应用，与其他的方法相比，能够比较廉价并容易地达到目的，而且通过其他方法，例如浸碳和氮化处理的组合，还可以实现进一步的疲劳破坏强度的提高。
附图说明
图1是表示实施例1使用的供试材的形状和测定位置的图。
图2是表示图1的供试材所形成的螺纹牙的形状和尺寸的图。
图3是表示实施例2使用的供试材的形状和测定位置。
图4是表示深度方向的轴向压缩残留应力测定值的曲线图。
图5是表示深度方向的轴向压缩残留应力变化量的曲线图。
图6是表示四点弯曲方式旋转弯曲疲劳试验机的结构的图。
图7是表示锯齿螺纹形状的图。
图8是表示API圆螺纹形状的图。
具体实施方式
以下基于实施例具体地说明本发明。
实施例1
将具有锯齿螺纹型的螺纹形状的油井管用特殊螺纹接头的阳螺纹部，轴向切割成宽25mm的短窄条状，通过微喷丸处理改变喷射条件来调查螺纹底部的表面残留应力如何变化。
<供试材母材>
作为供试材母材，使用油井管用特殊螺纹接头的阳螺纹部。油井管用特殊螺纹接头的规格如下。
标称外径 177.80mm
标称壁厚 11.51mm
材质 API P110
屈服应力≥758MPa
<供试材形状及表面残留应力测定位置>
如图1所示，轴向切下上述油井管用特殊螺纹的阳螺纹部，成为宽25mm、长约120mm的短窄条状作成供试材。表面残留应力的测定部位是图1中由“×”标记表示的处所。其为不完全螺纹部(螺纹底)的大体中央。还有，为了供参考而将该螺纹牙的形状与其尺寸一起在图2中表示。
<微喷丸处理条件>
使用碳含量0.8～1.0％的碳钢微粒子(HRC60以上)。由粒子径(中央值)为0.5mm、50μm、0.5mm和50μm的混合物的三种实施。以喷出压力为0.3MPa、0.4MPa、及0.5MPa的三个条件进行。喷嘴距离(从喷嘴喷射孔到被处理材表面的距离)为100～150mm，在各条件中固定而进行。各处理中的微喷丸的处理时间为2秒/cm2。
<轴向残留应力>
使用微小部X射线应力测定装置。根据特性X射线CrKα。测定条件如下。
衍射面：(211)
衍射角：156.4
管电压：40KV
管电流：30mA
测定方向：轴向
测定位置：管底中央部
测定方法：并倾法
测定结果跟微喷丸处理条件一起在表1中显示。
表1：微喷丸处理压缩残留应力测定结果(螺纹表面)
| 喷丸处理条件 | 轴向残留应力 | ||||
| 粒径 | 喷出压空压力 | 喷嘴距离 | 粒材质 | ||
| 实施例1-1 | 0.5mm | 0.3MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -600 |
| 实施例1-2 | 0.5mm | 0.4MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -600 |
| 实施例1-3 | 0.5mm | 0.5MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -450 |
| 实施例1-4 | 50μm | 0.3MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -580 |
| 实施例1-5 | 50μm | 0.4MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -520 |
| 实施例1-6 | 50μm | 0.5MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -580 |
| 实施例1-7 | 0.5mm+50μm | 0.3MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -530 |
| 实施例1-8 | 0.5mm+50μm | 0.4MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -490 |
| 实施例1-9 | 0.5mm+50μm | 0.5MPa | 100～150mm | 0.8～1.0％C钢 | -540 |
| 比较例1-1 | 无处理 | 无处理 | 无处理 | 无处理 | 400 |
这里残留应力的数值为“+”时表示拉伸方向的应力，为“-”时表示压缩方向的应力。相对于实施微喷丸处理前(比较例1-1)的轴向残留应力为+400MPa的，处理后的轴向残留应力均在-450MPa以下。因此可知，通过微喷丸处理，能够增加1000MPa左右的轴向压缩残留应力。
实施例2
使用与实施例1相同的管材，在平面加工的部分，进行微喷丸处理，在深度方向调查处理的前后的轴向压缩应力。
<供试材的形状及表面残留应力测定位置>
图3表示本实施例所使用的供试材的形状。在图3中，在供试材左侧大致三分之一处配置有黑皮面，其余的部分是磨铣加工面。将附带有磨铣加工面设为
a∶b＝1∶2
时的图中的“×”标记的点作为测定点，从该表面每10μm到50μm的深度测定残留应力。微喷丸处理条件如下。
<微喷丸处理条件>
使用碳含量0.8～1.0％的碳钢微粒子(HRC60以上)。0以粒子径(中央值)为
a：50μm
b：200～600μm
c：a和b的混合
d：100μm
的条件实施。喷出压力全部为0.5MPa，喷嘴距离(从喷嘴喷射孔到被处理材表面的距离)为100～150mm，处理时间约为2秒/cm2，固定而进行。
测定结果和微喷丸处理条件一起由表2及图4显示。
表2：微喷丸处理压缩残留应力测定结果
深度方向分布测定值
| 粒经 | 喷出压力 | 喷嘴距离 | 粒材质 | 轴向残留应力测定值(深度方向分布) | ||||||
| (μm) | (MPa) | (mm) | 表面 | -10μm | -20μm | -30μm | -40μm | -50μm | ||
| 实施例2-1 | 50 | 0.5 | 100～150 | 0.8～1.0C钢 | -610 | -580 | -490 | -440 | -410 | -420 |
| 实施例2-2 | 200～600 | 0.5 | 100～150 | 0.8～1.0C钢 | -500 | -570 | -580 | -570 | -530 | -560 |
| 实施例2-3 | 1+2 | 0.5 | 100～150 | 0.8～1.0C钢 | -580 | -560 | -530 | -500 | -460 | -520 |
| 实施例2-4 | 100 | 0.5 | 100～150 | 0.8～1.0C钢 | -550 | -540 | -510 | -460 | -480 | -470 |
| 比较例2-1 | 无处理(切削、磨铣) | +460 | +230 | +20 | -120 | -170 | -230 | |||
另外，在实施例(2-1)～(2-4)的各供试材中，表3及图5中显示微喷丸处理前后的轴向残留应力的变化量。
表3：微喷丸处理压缩残留应力变化量分布
(深度方向变化量的分布)
| 轴向残留应力变化量(深度方向分布) | ||||||
| 表面 | -10μm | -20μm | -30μm | -40μm | -50μm | |
| 实施例2-1 | -1070 | -810 | -510 | -320 | -240 | -190 |
| 实施例2-2 | -960 | -800 | -600 | -450 | -360 | -330 |
| 实施例2-3 | -1040 | -790 | -550 | -380 | -290 | -290 |
| 实施例2-4 | -1010 | -770 | -530 | -340 | -310 | -240 |
轴向压缩残留应力的变化在表面最大，有随着深度而变小的倾向，但是，从表面到50μm深度位置，轴向压缩残留应力为400～600MPa，可以说表现出微喷丸处理的效果。另外，如比较例2，若看处理前的机械加工(磨铣(milling))面的残留应力测定结果，则在表面拉伸的残留应力接近+500MPa。然后，该残留应力随着变深而减少，在30μm深度从拉伸变化成压缩的应力，在深度50μm成为200MPa的压缩残留应力。这说明加工带来的拉伸的残留应力发生在表面。由于在实施例1中的螺纹加工面，表面的残留应力也是拉伸的残留应力+400MPa(参照比较例1-1)，所以在实施例1中，被认为也成为大体同样的深度方向的残留应力分布。由此实施例1及实施例2的数据可知，通过微喷丸处理，表面部分的残留应力从拉伸方向朝压缩方向大幅变化。
实施例3
进行实体试验，确认实际的效果。
<供试材>
尺寸：标称外径177.8mm×标称壁厚11.51mm
材质：油井管材料P110
屈服强度：758MPa～965MPa(110ksi～140ksi)
最小抗张力：862MPa(125ksi)
螺纹接头：OCTG用特殊接头(附带金属密封肩台 锯齿型螺纹形状)
<试验条件>
(1)疲劳试验方式：四点弯曲方式旋转弯曲疲劳试验
图6表示试验机的概要及概略尺寸
(2)试验条件
弯曲设定角度：13°/30.48m(13°/100ft；估计100英尺的圆弧的长度的角度为13°。目标设定应力±13.8MPa)
旋转速度：166min-1(166rpm)
封入气体内压约降低约0.5MPa，据此检测裂纹发生。
(3)喷丸处理条件
喷出压力：0.4MPa
喷出距离：100～150mm
喷出时间：约1秒/cm2
喷射粒材质：0.8～1.0％C的碳钢(HRC60以上)
粒径：表4表示
(4)评价方法
调查直到有裂纹发生的试验旋转数。与关于未做微喷丸处理的供试材的试验次数进行比较，进行评价。
<试验结果>
表4表示粒径及试验结果。还有，在结果表示中分别表示为：所谓“螺纹部裂纹”，表示在试验对象的螺纹部有裂纹发生的；所谓“弯曲负荷部裂纹”，表示在图6中参照符号1、2的位置，即在负荷部轴承(bearing)内轮与管外面接触的一端的部分有裂纹发生，成为测试对象部的螺纹部没有损伤而测试中断的；所谓“主体伤痕部裂纹”，表示在图6中，从附加于参照符号3的位置的管主体的伤痕(接头螺纹拧入时的夹头伤痕等)部分有裂纹发生，成为测试对象没有损伤而测试中断的；所谓“主体表面缺陷部裂纹”，表示在图6中，附带参照符号4的位置(接头部和负荷部之间)的测试管主体表面小的表面缺陷(作为通常管的规格不构成问题的小毛病)为起点的裂纹发生，成为测试对象的螺纹部没有损伤而测试中断。
表4：实机器试验结果
| 粒子径 | 到裂纹发生的试验旋转数 | 试验停止理由 | 试验次数增加倍数 | |
| ×1000 | ||||
| 实验例3-1 | 50μm | 885200 | 螺纹部裂纹 | 2.1 |
| 实验例3-2 | 200～600μm | 536900 | 弯曲负荷部裂纹 | 1.3 |
| 实验例3-3 | (3-1)和(3-2)混合 | 576300 | 主体伤痕部裂纹 | 1.3 |
| 实验例3-4 | 100μm | 518700 | 主体表面缺陷部裂 | 1.2 |
| 实验例3-5 | 50μm | 935500 | 弯曲负荷部裂纹 | 2.2 |
| 实验例3-6 | 50μm | 845000 | 弯曲负荷部裂纹 | 2 |
| 实验例3-7 | 50μm(仅不完全螺纹部) | 1151800 | 弯曲负荷部裂纹 | 2.7 |
| 实验例3-8 | (3-1)和(3-2)混合 | 674100 | 弯曲负荷部裂纹 | 1.6 |
| 比较例3-1 | 无 | 418700 | 螺纹部裂纹 | (1.0) |
| 比较例3-2 | 无 | 438500 | 螺纹部裂纹 | (1.0) |
如表4的试验结果可知，通过对螺纹接头表面实施微喷丸处理，能够确认到达到裂纹发生的试验旋转数增加，疲劳破坏强度提高(实施例3-1～3-8)。其中使用粒子径为50μm的粒子的例(实施例3-1、5、6、7)，与未处理的比较，试验旋转数成为2倍以上，显示出显著的效果。另外，只对不完全螺纹部实施微喷丸处理的例(实施例3-7)，试验旋转数进一步提高。
但是，实施有微喷丸处理的例中，实施例3-1以外，由于在螺纹接头以外的部位发生了裂纹，试验被中断。关于这些，可以说接头部的疲劳破坏强度至少被提高到表4的试验结果所示的数值。实质上，可以推定接头部的疲劳破坏强度提高到了表4的试验结果的数值以上。
以上，用目前最有实践性的、且被认为优选的实施方式来说明本发明，但是，本发明不限定于本申请说明书中所开发的实施方式，可以在不违反从权利要求的范围及说明书总体所读取的发明的要旨或思想的范围内适宜变更，应当理解为伴随着这样的变更的油井管用接头、及其制造方法包含于本发明的技术的范围。
Claims (6)
1、一种油井管用螺纹接头，其中，螺纹底部的轴向残留应力从表面到40μm的深度之间，作为X射线应力分析的值为-400MPa以下。
2、一种油井管用螺纹接头的制造方法，其中，包括对被处理材的表面以空压0.3～0.5MPa喷射、喷出具有HRC50以上的硬度、并且粒子径为30～300μm粒子的工序。
3、根据权利要求2所述的油井管用螺纹接头的制造方法，其中，所述油井管用螺纹接头的螺纹形状，为API锯齿螺纹、或圆螺纹的任意一种。
4、根据权利要求2或3所述的油井管用螺纹接头的制造方法，其中，所述粒子径为50～100μm。
5、根据权利要求2～4中任一项所述的油井管用螺纹接头的制造方法，其中，所述喷射、喷出处理只对不完全螺纹部进行。
6、根据权利要求2～5中任一项所述的油井管用螺纹接头的制造方法，其中，所述喷射、喷出处理在3秒/cm2以下进行。
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