智能断句徐建宁;周欣
【摘 要】The galvanized layer on both ends of the corrosion resistant alloys ( CRA) casing surface is easily to be dam⁃aged by the conventional power tongs during working for the material of CRA casing usually used in the oil field is relative⁃ly soft,which will accelerate the hydrogen sulfide corrosion of the casing.In order to reducing the damage of hydraulic tongs on casing,and slow down the corrosion of hydrogen sulfide on casing,based on the working principle of the conventional hydraulic power tongs,the mechanics model of jaws was set up,and the specific factors affecting tongs tightening were de⁃termined.According to the tribological theory of fatigue,causes and process of wear of the casing by jaws were analyzed. Through the experiments of screw⁃on⁃off by the jaws on oil pipe,the result shows that wear has obvious relationship with contact area,number of cycles,the mutual contact materials and other factors.Through the stress and strain analysis of con⁃tact area,it is shown that friction coefficient and contact load ar
e the major factors influencing the casing wear by jaws,and the friction coefficient has more obvious influence on tensile strain.%目前油田普遍采用的防腐蚀合金（ CRA）套管材质较软，工作时常规动力钳易破坏管两端处的表面镀锌层，加速硫化氢对套管的腐蚀。为减轻液压管钳对套管损伤，减缓硫化氢对套管的腐蚀，基于普通液压管钳工作原理，建立钳口力学模型，确定影响管钳加紧的具体因素。根据摩擦疲劳学理论，分析钳牙对套管的磨损成因和磨损过程，通过钳牙与油管上卸扣实验发现，磨损与接触区域、循环次数、相互接触材料等因素有明显关系。通过分析接触区域的应力应变，表明影响钳牙对套管的磨损的主要因素是摩擦因数、接触载荷，并且摩擦因数对拉伸应变的影响更加明显。 【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2016(000)002
【总页数】5页(P116-120)
【关键词】硫化氢腐蚀;套管;液压管钳;钳牙;摩擦损伤
【作 者】徐建宁;周欣
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【作者单位】西安石油大学机械工程学院 陕西西安710065;西安石油大学机械工程学院 陕西西安710065
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
我国油田的开发目前已进入中后期，为应对硫化氢严重腐蚀套管的问题，油田已陆续将处在腐蚀区域的普通套管更换为合金套管和双防硫套管。防腐蚀的合金套管（CRA）材质较软，油井上在使用常规动力钳拆装管子的过程中，套管两端处被啃上深深的啮痕，表面镀锌层被完全破坏，加速硫化氢对套管的腐蚀［1－2］，缩短套管的使用寿命。
本文作者基于常规液压管钳结构，研究其对CRA套管的磨损成因和磨损过程，利用摩擦疲劳学理论，分析其力学行为，为减轻液压管钳对套管损伤，减缓硫化氢对套管的腐蚀提供理论依据。
如图1所示，液压钳在卸扣的过程中，当开始上扣时，颚板架在制动盘的作用下保持静止，闭口齿轮通过液压动力带动旋转［3］。当闭口齿轮旋转时，固定在闭口齿轮内圆柱面上对
称布置的坡板开始挤压颚板内滚轮，迫使颚板向颚板架的矩形槽内中心滑动。在坡板曲面约束下，闭口齿轮转动的同时造成坡板推动颚板向中心运动，最后触及管径外表面，压迫、挤压钳牙咬紧套管。
首先根据磨损的定义，分析常规钳牙对CRA套管表面磨损伤害原因。磨损是在载荷作用下相互作用的2个固体之间的接触区域中的表层被摩擦破坏的过程［4］，其最终将导致材料表层脱落，并在外力作用下脱离材料本体。在剪切作用下造成的交互变形中，接触固体表面之间发生机械相互作用，并同时发生机械、物理、化学的附加现象。
根据SYSOEV等［5］实验所得的磨损与接触区域之间的关系，磨损过程主要是由于摩擦过程中不定的应力变形周波；磨损对材料表面的破坏，不仅发生在相互接触部位，而且沿着摩擦轨迹区域的影响范围更大；在相互接触的部位，材料表层发生破坏，导致失效；磨损分为轻微损伤导致滚动摩擦疲劳损伤、滑动摩擦疲劳损伤、冲击微波疲劳损伤3个阶段。SOS⁃NOVSKIY［6］研究磨损与循环次数之间的关系，发现随着时间的增加，磨损过程分为磨合磨损、正常磨损、极限磨损3个阶段。SOSNOVSKIY［7］采用45＃钢摩擦副通过滑动摩擦实验研究磨损过程与接触材料属性之间关系，结果表明，实验初期磨损主要是表
层材料脱落后的塑性堆挤；随着接触载荷增加，塑性堆挤越剧烈，最后引起微切削造成材料破裂，并伴随热损伤的复合因素影响。
本文作者利用建湖石油机械有限公司生产的MXQ140／30Y常规液压动力钳，取一段常规油管试件，在实验室进行加紧油管的实验。如图2、3所示，与锋利钳牙接触区域油管的表层已被钳牙咬伤，咬伤部位温度较高，仔细观察发现，咬伤部位材料并非全部是油管本体材料，而是有钳牙微小黑颗粒镶嵌于牙痕沟谷处。通过数日后观察发现，在咬伤部位比被钳牙咬合部位，氧化腐蚀更严重。
分析套管磨损成因，起初钳牙并未咬住套管，钳牙与套管相对产生运动；随着滚子沿坡板爬坡，钳牙与套管开始间歇性接触，造成套管轻微损伤，属于滚动摩擦疲劳损伤；当钳牙接触套管并开始产生力的作用时，发生塑性堆积，对材料造成滑动摩擦疲劳损伤；当钳牙咬入套管并带动套管旋转上卸扣工作时，接触次数增多，发生弹性堆积，套管表面开始产生明显形变。由于接触面积小，快速作用，接触部位温度急剧升高，促使套管表层防腐材料局部相变。接触循环次数增加，就加速了套管表层材料上发生错位，迁移和增殖等一系列现象。前阶段套管磨损产生的微小固体颗粒，在对偶件接触之间充当表面活性剂增加摩
擦作用，磨屑被挤压进入套管材料表面。造成材料表面参差不齐的细微台阶，同时反作用于钳牙，造成表面磨损，钳牙的材料偏硬，但套管表层防腐涂层材料脱套管本体离后渗进钳牙表面，致使钳牙更加坚硬，破坏后续套管表层。当上扣结束时，钳牙脱离套管，在套管表层的牙痕已稳定成型，防腐层薄膜已破坏，与套管内层金属材料形成原电池，发生化学腐蚀［8－9］，造成腐蚀损伤。
3.1 钳口加紧受力分析
分析钳牙对套管的作用力［10－11］，如图4所示，当管钳工作时，产生旋转力矩M，齿轮上的坡板在滚子的接触点K产生一个对于滚子的法向力Q。则有：
式中：F为Q过K对于圆心O1的切向力；p为Q过圆心O1的正压力；N为Q对鄂板的正压力；T为Q对鄂板的切向力。
把切向力T换算成作用在套管表面的切向力S，由力矩平衡得
在管钳设计中，定义切向力S与径向力N的比值为切径比m，即
依据国内外大量现场实验证明，取m＝0.45～0.50较为经济合理。当m值小于0.45时，为满足强度要求，钳头质量明显地增加，并且易使管子挤压变形。当m值大于0.5时，常规钳牙尖稍有磨损就易打滑。为减少钳牙对套管的伤害，在保证上卸扣质量时，必须满足最佳切径比。由于套管管径与所需接触载荷是一一对应，当确定套管规格后，在选定的最佳切径比下工作时，切径比只与管钳结构几何参数有关。
3.2 摩擦接触区域应力分析
分析单个钳牙与有套管的接触作用，简化力学模型，如图5所示，其接触载荷正压力和摩擦对偶件初始接触线相互垂直的切向力共同作用下，圆柱体与平面接触区域的应力—应变问题［12］。
将应力分量用直角坐标系（ξ，φ）和椭圆坐标系（α，β）进行耦合［13］：
式中：y，z是直角坐标；b是接触区域的宽度。
应力方程为
式中：p0是接触部位的最大应力；p1是法向线性载荷；E是弹性模量；D是圆柱体直径。
主应力为
3.3 摩擦接触区域应变分析
金属修复根据Hooke定律［13］，在弹性状态下，应变ε与应力σ满足线性比例，即σ＝Eε。
23在各向同性材料中，弹性剪切模量G、弹性模量E和泊松比μ之间满足关系式E＝2G（1＋μ）。结合应力分量，应变分量为
根据如图6所示的应力图像，在接触部位前方，应力为负值，材料受压；在接触部位后方，材料受双向拉伸。钳牙接触套管区域内，材料受压，钳牙接触区域附近，材料受到双向拉伸作用，并且压应力远大于拉应力。主要体现出钳牙对材料的挤压效果。
根据如图7所示的应变图像，材料承受方向可变的应变，钳牙经过一次套管表面时，表层材料承受一次正负应变变化。在接触区域前方，应变为负值，表明接触区域前方受压缩作用。在钳牙接触区域后方，应变为正值，表明接触区域后方受拉伸作用。与应力分析结果基本吻合。切应变稳定在0附近，由于咬入深度有限，剪切作用不太明显。同时根据应变方程式发现，若摩擦因数增大，接触载荷增大，都会导致应变增大，应变幅值也会随之增加。
若干参数中，相比较而言，摩擦因数对拉伸应变的影响更加明显。后续在设计微牙痕套管钳时，套管管径与所需接触载荷是一一对应。为减少钳牙对套管的伤害，在保证上卸扣质量，满足最佳切径比的前提下，减轻牙痕深度，必须适当降低摩擦因数，增大钳牙接触个数，加大钳牙与套管的接触面积，有效减少应力集中。
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