專利名稱：油井管用螺紋接頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油井管用螺紋接頭及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著油田和氣田勘探技術(shù)及開采技術(shù)的提高，即使從深度數(shù)千米的油田進(jìn)行產(chǎn)油也不足為奇。這樣的油井所使用的油井管上升為龐大的數(shù)量，提供于使用的各油井管要能夠通過螺紋接頭一邊確保其密封性，一邊連結(jié)成一串。
在專利文獻(xiàn)1中，以通過提高表面硬度而提高耐磨蝕性(gallingresistance)為目的，開發(fā)有對(duì)鋼管接頭的金屬對(duì)金屬密封部進(jìn)行噴丸(shotpeening)處理的技術(shù)。另外，在專利文獻(xiàn)2中，開發(fā)有對(duì)以重量比計(jì)含有10％以上的Cr的高鉻鋼，提高陽(yáng)螺紋或陰螺紋任意一方的螺紋部密封部的硬度，且將提高了硬度的一方的表面粗糙度規(guī)定為0.25～1.00μm，從而使耐磨蝕性提高的技術(shù)。
專利文獻(xiàn)1特開平6-99354號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開平8-145248號(hào)公報(bào)近年來海洋部的油田或氣田的開發(fā)，向更深處、開發(fā)更為困難之處擴(kuò)展著。隨之而來的是對(duì)于海底和海上鉆塔(rig)之間的海中部分的管道，與耐磨蝕相比反而更重視疲勞破壞強(qiáng)度，要求疲勞破壞強(qiáng)度高的接頭的情況正在變多。
作為提高油井管用螺紋接頭的疲勞破壞強(qiáng)度方法之一，考慮有使用原本疲勞破壞強(qiáng)度就很高地這樣制成的產(chǎn)油用襯管(liner)，或開發(fā)專用的接頭而使用的方法，但是，其存在成本變高這樣的問題。因此，使用現(xiàn)有的特殊接頭，或者通過其改良而使之具有需要的性能的構(gòu)件的要求強(qiáng)烈。另一方面，作為提高材料的疲勞破壞強(qiáng)度的一般性方法，公知有實(shí)施材料表面噴丸處理而提高表面的硬度的方法。
但是，在專利文獻(xiàn)1、2中，沒有想到疲勞破壞強(qiáng)度的提高這樣的課題，因此其內(nèi)容也沒有涉及到與疲勞破壞強(qiáng)度的提高相關(guān)的技術(shù)性的方法的開發(fā)。
此外，油井管用螺紋接頭的疲勞破壞的起點(diǎn)，大多在其螺紋部，在現(xiàn)有的噴丸處理中，均勻地處理螺紋部很困難。由此在油井管用螺紋接頭中，一般采用API螺紋形狀等的特殊的螺紋形狀。
例如，圖7所示的鋸齒(buttress)螺紋形狀的情況，一般認(rèn)為是關(guān)于螺紋接頭的疲勞破壞強(qiáng)度的臨界點(diǎn)(critical point)的螺紋底角彎曲部的尺寸，是半徑0.2mm。因此，將使用徑的最小值為0.5mm左右的粒子的現(xiàn)有的噴丸處理適用于此部分，而得到一樣的硬度很難。特別是，如圖8所示，對(duì)于形成有API圓螺紋形狀的油井管用螺紋接頭來說，要應(yīng)用現(xiàn)有的噴丸處理的本身就成為另一個(gè)問題。
因此，本發(fā)明的課題在于，提供一種油井管用螺紋接頭及其制造方法，其是通過對(duì)例如形成有API的鋸齒螺紋形狀和圓螺紋形狀等特殊形狀的螺紋的現(xiàn)有的油井用螺紋接頭加以改良，從而確保充分的疲勞破壞強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
以下說明本發(fā)明。還有，為了便于本發(fā)明的理解，由括號(hào)描述來附加注解圖紙的參照符號(hào)，但是，其并不由此限定于本發(fā)明的圖示的形態(tài)。
本發(fā)明的第一形態(tài)，是螺紋底部的軸向殘留應(yīng)力從表面到40μm的深度之間，作為X射線應(yīng)力分析的值為400MPa以下的油井管用螺紋接頭。
根據(jù)此第一形態(tài)的油井管用螺紋接頭，從構(gòu)成接頭的金屬材料的表面到40μm的深度，壓縮方向的應(yīng)力殘留400MPa以上。因此材料表面附近的龜裂難以產(chǎn)生，材料金屬的疲勞破壞強(qiáng)度高。因而，能夠提供一種油井管用螺紋接頭，其可以面向更深的開發(fā)困難的油田、氣田的應(yīng)用。
本發(fā)明的第二形態(tài)是油井管用接頭的制造方法，其包含以空壓0.3～0.5MPa，對(duì)被處理材的表面噴射、噴出具有HRC50以上的硬度而且粒子徑為30～300μm的粒子的工序。這里所謂“粒子徑”，是指具有一定的粒子徑范圍的粒子的集合的中央值(中值median)的粒子徑。另外，高速向被處理材表面噴射、噴出如此細(xì)微的粒子的工序，以下稱為“微噴丸處理”。
該第二形態(tài)的油井管用螺紋接頭的制造方法，是對(duì)現(xiàn)有的油井管用螺紋接頭應(yīng)用微噴丸處理，使其疲勞破壞強(qiáng)度提高的制造方法。
因此，為了疲勞破壞強(qiáng)度提高而無需特別的設(shè)計(jì)和材料，而是直接使用現(xiàn)有使用的油井管用螺紋接頭，所以成本能夠降低。另外，根據(jù)此第二形態(tài)的油井管用螺紋接頭的制造方法，是將比被處理材更硬的細(xì)微的粒子，以高速噴射、噴出至構(gòu)成油井管用螺紋接頭的材料表面。如此，在材料表面附近的比較淺的部位，形成壓縮方向的最大殘留應(yīng)力，由此抑制成為疲勞破壞的起點(diǎn)的龜裂的發(fā)生。因?yàn)楸粐娚涞牧Ｗ雍芗?xì)微，所以，即使油井管用螺紋接頭的各部位為復(fù)雜的形狀、細(xì)小的形狀，粒子也能夠被均勻地噴出。因此，可以在油井管用螺紋接頭的表面部整個(gè)面，一樣地實(shí)現(xiàn)疲勞破壞強(qiáng)度的提高。
在所述第二形態(tài)中，螺紋形狀可以為API的、鋸齒螺紋或圓螺紋的任何一種。
據(jù)此，能夠具有微噴丸處理的特征，該微噴丸處理可使粒子噴射直到現(xiàn)有的粒子徑大的噴丸處理不可能到達(dá)的螺紋底角彎曲部，從而確保充分的疲勞強(qiáng)度。
在上述第二形態(tài)(含變形例)中，優(yōu)選粒子徑為50～100μm。
當(dāng)如此構(gòu)成時(shí)，在構(gòu)成油井管用螺紋接頭的材料表面附近更淺的部位，能夠使更大的最大壓縮方向殘留應(yīng)力發(fā)生，進(jìn)一步提高疲勞破壞強(qiáng)度。
在本發(fā)明中，也可以使用具有一個(gè)峰值的粒子徑分布的粒子。
另外，也可以將具有各自不同的峰值的多個(gè)種類的粒子混合使用。此外，也可以準(zhǔn)備粒子徑峰值不同的兩種以上的粒子，噴射一種粒子后，再依次噴射其他的粒子，如此而構(gòu)成。在如此構(gòu)成時(shí)，從減小噴射后的被處理表面粗糙度的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選先從粒子徑大的噴射。通過最終減小面表粗糙度，能夠得到更高的疲勞破壞強(qiáng)度。
另外在所述第二形態(tài)(含各變形例)中，噴射、噴出處理優(yōu)選只對(duì)不完全螺紋部進(jìn)行。
在如此構(gòu)成時(shí)，該機(jī)制(mechanism)不確定，但是可以進(jìn)一步提高疲勞破壞強(qiáng)度。
此外，在所述第二形態(tài)(含各變形例)中，噴射、噴出處理優(yōu)選在3秒/cm2(被處理面每1cm2，在3秒以下進(jìn)行噴射、噴出處理)以下進(jìn)行。
據(jù)此，能夠高效率地將微噴丸處理應(yīng)用于油井管用螺紋接頭。
根據(jù)本發(fā)明將微噴丸處理應(yīng)用于油井管用螺紋接頭，能夠?qū)崿F(xiàn)疲勞破壞強(qiáng)度的提高。通過微噴丸處理的應(yīng)用，與其他的方法相比，能夠比較廉價(jià)并容易地達(dá)到目的，而且通過其他方法，例如浸碳和氮化處理的組合，還可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的疲勞破壞強(qiáng)度的提高。


圖1是表示實(shí)施例1使用的供試材的形狀和測(cè)定位置的圖。
圖2是表示圖1的供試材所形成的螺紋牙的形狀和尺寸的圖。
圖3是表示實(shí)施例2使用的供試材的形狀和測(cè)定位置。
圖4是表示深度方向的軸向壓縮殘留應(yīng)力測(cè)定值的曲線圖。
圖5是表示深度方向的軸向壓縮殘留應(yīng)力變化量的曲線圖。
圖6是表示四點(diǎn)彎曲方式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)的圖。
圖7是表示鋸齒螺紋形狀的圖。
圖8是表示API圓螺紋形狀的圖。
具體實(shí)施例方式
以下基于實(shí)施例具體地說明本發(fā)明。
實(shí)施例1將具有鋸齒螺紋型的螺紋形狀的油井管用特殊螺紋接頭的陽(yáng)螺紋部，軸向切割成寬25mm的短窄條狀，通過微噴丸處理改變噴射條件來調(diào)查螺紋底部的表面殘留應(yīng)力如何變化。
<供試材母材>
作為供試材母材，使用油井管用特殊螺紋接頭的陽(yáng)螺紋部。油井管用特殊螺紋接頭的規(guī)格如下。
標(biāo)稱外徑 177.80mm標(biāo)稱壁厚 11.51mm材質(zhì) API P110
屈服應(yīng)力≥758MPa<供試材形狀及表面殘留應(yīng)力測(cè)定位置>
如圖1所示，軸向切下上述油井管用特殊螺紋的陽(yáng)螺紋部，成為寬25mm、長(zhǎng)約120mm的短窄條狀作成供試材。表面殘留應(yīng)力的測(cè)定部位是圖1中由“×”標(biāo)記表示的處所。其為不完全螺紋部(螺紋底)的大體中央。還有，為了供參考而將該螺紋牙的形狀與其尺寸一起在圖2中表示。
<微噴丸處理?xiàng)l件>
使用碳含量0.8～1.0％的碳鋼微粒子(HRC60以上)。由粒子徑(中央值)為0.5mm、50μm、0.5mm和50μm的混合物的三種實(shí)施。以噴出壓力為0.3MPa、0.4MPa、及0.5MPa的三個(gè)條件進(jìn)行。噴嘴距離(從噴嘴噴射孔到被處理材表面的距離)為100～150mm，在各條件中固定而進(jìn)行。各處理中的微噴丸的處理時(shí)間為2秒/cm2。
<軸向殘留應(yīng)力>
使用微小部X射線應(yīng)力測(cè)定裝置。根據(jù)特性X射線CrKα。測(cè)定條件如下。
衍射面(211)衍射角156.4管電壓40KV管電流30mA測(cè)定方向軸向測(cè)定位置管底中央部測(cè)定方法并傾法測(cè)定結(jié)果跟微噴丸處理?xiàng)l件一起在表1中顯示。
表1微噴丸處理壓縮殘留應(yīng)力測(cè)定結(jié)果(螺紋表面)

這里殘留應(yīng)力的數(shù)值為“+”時(shí)表示拉伸方向的應(yīng)力，為“-”時(shí)表示壓縮方向的應(yīng)力。相對(duì)于實(shí)施微噴丸處理前(比較例1-1)的軸向殘留應(yīng)力為+400MPa的，處理后的軸向殘留應(yīng)力均在-450MPa以下。因此可知，通過微噴丸處理，能夠增加1000MPa左右的軸向壓縮殘留應(yīng)力。
實(shí)施例2使用與實(shí)施例1相同的管材，在平面加工的部分，進(jìn)行微噴丸處理，在深度方向調(diào)查處理的前后的軸向壓縮應(yīng)力。
<供試材的形狀及表面殘留應(yīng)力測(cè)定位置>
圖3表示本實(shí)施例所使用的供試材的形狀。在圖3中，在供試材左側(cè)大致三分之一處配置有黑皮面，其余的部分是磨銑加工面。將附帶有磨銑加工面設(shè)為a∶b＝1∶2時(shí)的圖中的“×”標(biāo)記的點(diǎn)作為測(cè)定點(diǎn)，從該表面每10μm到50μm的深度測(cè)定殘留應(yīng)力。微噴丸處理?xiàng)l件如下。
<微噴丸處理?xiàng)l件>
使用碳含量0.8～1.0％的碳鋼微粒子(HRC60以上)。0以粒子徑(中央值)為a50μmb200～600μmca和b的混合d100μm的條件實(shí)施。噴出壓力全部為0.5MPa，噴嘴距離(從噴嘴噴射孔到被處理材表面的距離)為100～150mm，處理時(shí)間約為2秒/cm2，固定而進(jìn)行。
測(cè)定結(jié)果和微噴丸處理?xiàng)l件一起由表2及圖4顯示。
表2微噴丸處理壓縮殘留應(yīng)力測(cè)定結(jié)果深度方向分布測(cè)定值

另外，在實(shí)施例(2-1)～(2-4)的各供試材中，表3及圖5中顯示微噴丸處理前后的軸向殘留應(yīng)力的變化量。
表3微噴丸處理壓縮殘留應(yīng)力變化量分布(深度方向變化量的分布)

軸向壓縮殘留應(yīng)力的變化在表面最大，有隨著深度而變小的傾向，但是，從表面到50μm深度位置，軸向壓縮殘留應(yīng)力為400～600MPa，可以說表現(xiàn)出微噴丸處理的效果。另外，如比較例2，若看處理前的機(jī)械加工(磨銑(milling))面的殘留應(yīng)力測(cè)定結(jié)果，則在表面拉伸的殘留應(yīng)力接近+500MPa。然后，該殘留應(yīng)力隨著變深而減少，在30μm深度從拉伸變化成壓縮的應(yīng)力，在深度50μm成為200MPa的壓縮殘留應(yīng)力。這說明加工帶來的拉伸的殘留應(yīng)力發(fā)生在表面。由于在實(shí)施例1中的螺紋加工面，表面的殘留應(yīng)力也是拉伸的殘留應(yīng)力+400MPa(參照比較例1-1)，所以在實(shí)施例1中，被認(rèn)為也成為大體同樣的深度方向的殘留應(yīng)力分布。由此實(shí)施例1及實(shí)施例2的數(shù)據(jù)可知，通過微噴丸處理，表面部分的殘留應(yīng)力從拉伸方向朝壓縮方向大幅變化。
實(shí)施例3進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)，確認(rèn)實(shí)際的效果。
<供試材>
尺寸標(biāo)稱外徑177.8mm×標(biāo)稱壁厚11.51mm材質(zhì)油井管材料P110屈服強(qiáng)度758MPa～965MPa(110ksi～140ksi)最小抗張力862MPa(125ksi)螺紋接頭OCTG用特殊接頭(附帶金屬密封肩臺(tái) 鋸齒型螺紋形狀)<試驗(yàn)條件>
(1)疲勞試驗(yàn)方式四點(diǎn)彎曲方式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)圖6表示試驗(yàn)機(jī)的概要及概略尺寸(2)試驗(yàn)條件彎曲設(shè)定角度13°/30.48m(13°/100ft；估計(jì)100英尺的圓弧的長(zhǎng)度的角度為13°。目標(biāo)設(shè)定應(yīng)力±13.8MPa)旋轉(zhuǎn)速度166min-1(166rpm)封入氣體內(nèi)壓約降低約0.5MPa，據(jù)此檢測(cè)裂紋發(fā)生。
(3)噴丸處理?xiàng)l件噴出壓力0.4MPa噴出距離100～150mm
噴出時(shí)間約1秒/cm2噴射粒材質(zhì)0.8～1.0％C的碳鋼(HRC60以上)粒徑表4表示(4)評(píng)價(jià)方法調(diào)查直到有裂紋發(fā)生的試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)數(shù)。與關(guān)于未做微噴丸處理的供試材的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行評(píng)價(jià)。
<試驗(yàn)結(jié)果>
表4表示粒徑及試驗(yàn)結(jié)果。還有，在結(jié)果表示中分別表示為所謂“螺紋部裂紋”，表示在試驗(yàn)對(duì)象的螺紋部有裂紋發(fā)生的；所謂“彎曲負(fù)荷部裂紋”，表示在圖6中參照符號(hào)1、2的位置，即在負(fù)荷部軸承(bearing)內(nèi)輪與管外面接觸的一端的部分有裂紋發(fā)生，成為測(cè)試對(duì)象部的螺紋部沒有損傷而測(cè)試中斷的；所謂“主體傷痕部裂紋”，表示在圖6中，從附加于參照符號(hào)3的位置的管主體的傷痕(接頭螺紋擰入時(shí)的夾頭傷痕等)部分有裂紋發(fā)生，成為測(cè)試對(duì)象沒有損傷而測(cè)試中斷的；所謂“主體表面缺陷部裂紋”，表示在圖6中，附帶參照符號(hào)4的位置(接頭部和負(fù)荷部之間)的測(cè)試管主體表面小的表面缺陷(作為通常管的規(guī)格不構(gòu)成問題的小毛病)為起點(diǎn)的裂紋發(fā)生，成為測(cè)試對(duì)象的螺紋部沒有損傷而測(cè)試中斷。
表4實(shí)機(jī)器試驗(yàn)結(jié)果

如表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，通過對(duì)螺紋接頭表面實(shí)施微噴丸處理，能夠確認(rèn)到達(dá)到裂紋發(fā)生的試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)數(shù)增加，疲勞破壞強(qiáng)度提高(實(shí)施例3-1～3-8)。其中使用粒子徑為50μm的粒子的例(實(shí)施例3-1、5、6、7)，與未處理的比較，試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)數(shù)成為2倍以上，顯示出顯著的效果。另外，只對(duì)不完全螺紋部實(shí)施微噴丸處理的例(實(shí)施例3-7)，試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)一步提高。
但是，實(shí)施有微噴丸處理的例中，實(shí)施例3-1以外，由于在螺紋接頭以外的部位發(fā)生了裂紋，試驗(yàn)被中斷。關(guān)于這些，可以說接頭部的疲勞破壞強(qiáng)度至少被提高到表4的試驗(yàn)結(jié)果所示的數(shù)值。實(shí)質(zhì)上，可以推定接頭部的疲勞破壞強(qiáng)度提高到了表4的試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值以上。
以上，用目前最有實(shí)踐性的、且被認(rèn)為優(yōu)選的實(shí)施方式來說明本發(fā)明，但是，本發(fā)明不限定于本申請(qǐng)說明書中所開發(fā)的實(shí)施方式，可以在不違反從權(quán)利要求的范圍及說明書總體所讀取的發(fā)明的要旨或思想的范圍內(nèi)適宜變更，應(yīng)當(dāng)理解為伴隨著這樣的變更的油井管用接頭、及其制造方法包含于本發(fā)明的技術(shù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種油井管用螺紋接頭，其中，螺紋底部的軸向殘留應(yīng)力從表面到40μm的深度之間，作為X射線應(yīng)力分析的值為-400MPa以下。
2.一種油井管用螺紋接頭的制造方法，其中，包括對(duì)被處理材的表面以空壓0.3～0.5MPa噴射、噴出具有HRC50以上的硬度、并且粒子徑為30～300μm粒子的工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的油井管用螺紋接頭的制造方法，其中，所述油井管用螺紋接頭的螺紋形狀，為API鋸齒螺紋、或圓螺紋的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的油井管用螺紋接頭的制造方法，其中，所述粒子徑為50～100μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2～4中任一項(xiàng)所述的油井管用螺紋接頭的制造方法，其中，所述噴射、噴出處理只對(duì)不完全螺紋部進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求2～5中任一項(xiàng)所述的油井管用螺紋接頭的制造方法，其中，所述噴射、噴出處理在3秒/cm2以下進(jìn)行。
全文摘要
提供一種油井管用螺紋接頭及其制造方法，其是通過改良現(xiàn)有的油井管用螺紋接頭而確保充分的疲勞破壞強(qiáng)度。螺紋底部的軸向殘留應(yīng)力從表面到40μm的深度之間，作為X射線應(yīng)力分析的值在－400MPa以下。
文檔編號(hào)B24C1/10GK1914449SQ200580003950
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月6日
發(fā)明者前田惇 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社