管螺紋的失效分析與防范

　　井用上水管道常用的連接方式有兩種：一種是粘圈密封法蘭盤連接，另一種是管螺紋聯(lián)接。其中管螺紋聯(lián)接以其安裝工藝簡便和易下管的優(yōu)勢(shì)，得以廣泛應(yīng)用。

　　管螺紋在使用過程當(dāng)中，由于受其本身及外界因素的影響，時(shí)常會(huì)發(fā)生各種故障，影響了正常的工作。經(jīng)過對(duì)失效管理進(jìn)行調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)失效部位大都發(fā)生在管螺紋聯(lián)接處，表現(xiàn)出的失效形式主要有以下幾種類型：絲扣粘連（粘扣）、絲扣滲漏、紋牙折斷和聯(lián)接處的管體裂紋等。

失效原因分析

1．絲扣粘連

　　絲扣粘連是指管道接箍處的螺紋發(fā)生了磨損破壞，使螺紋牙的形狀及其尺寸發(fā)生了變化的一種失效形式。

　　磨損是粘扣的主要和直接原因，管螺紋的磨損主要有磨料磨損和復(fù)合磨損兩大類。

　　井用管螺紋在聯(lián)接和拆卸的旋進(jìn)旋出過程中，各種雜物會(huì)不可避免地落于螺紋牙面和槽內(nèi)，這些硬質(zhì)顆粒狀雜物對(duì)螺紋牙有切削和刮擦作用，從而引起聯(lián)接表面材料的脫落而形成磨粒磨損。

　　管螺紋受到的載荷包括管道自重、旋緊接箍后預(yù)緊力產(chǎn)生的附加載荷、管道內(nèi)流體介質(zhì)內(nèi)壓所形成的軸向靜載荷等。這些載荷在管螺紋的螺紋牙表面產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，使螺紋牙表面上的較大的承載凸峰產(chǎn)生粘著。接觸應(yīng)力的變化，使粘著點(diǎn)切開而形成磨屑，磨屑在螺紋牙的接觸面間成為磨料，繼而出現(xiàn)磨料磨損，如此循環(huán)的結(jié)果是形成了新的復(fù)合磨損。

2．絲扣滲漏

　　形成絲扣滲漏失效的最主要原因是腐蝕性磨損。螺紋材料與管道內(nèi)流質(zhì)中的某些化學(xué)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，生成的腐蝕物在螺紋牙表面粘附不牢而易脫落，新的螺紋牙表面繼續(xù)與流體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如此過程的重復(fù)就形成了腐蝕性磨損。

　　螺紋牙的側(cè)表面和牙頂經(jīng)腐蝕磨損后，牙型發(fā)生變化，內(nèi)外螺紋旋合外的徑向間隙增大，導(dǎo)致滲漏。

3．螺紋牙折斷

　　管道自身的重量、管內(nèi)流體介質(zhì)的作用所產(chǎn)生的軸向載荷以及螺紋防松的預(yù)緊力均作用于管螺紋的螺紋牙上，腐蝕性磨損又會(huì)使螺紋牙的厚度尺寸減小、強(qiáng)度降低，當(dāng)載荷大于螺紋牙的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生螺紋牙斷裂。

失效的預(yù)防措施

1．預(yù)防絲扣粘連采取的措施

磨損是絲扣粘連的主要和直接原因，因此可采取下列預(yù)防措施：

（1）采用噴鍍技術(shù)（如刷鍍銅）給管螺紋牙表面涂層，提高其耐磨性。
（2）對(duì)螺紋表面進(jìn)行表面感應(yīng)淬火強(qiáng)化處理，以增加螺紋牙的強(qiáng)度和硬度。這種方法的應(yīng)用性較好，一般情況下，只要能確實(shí)保證螺紋牙足夠的硬度，螺紋牙就不會(huì)產(chǎn)生粘扣這種失效。螺紋牙實(shí)際需要的硬度可以通過其強(qiáng)度計(jì)算而得到。

螺紋牙的剪切強(qiáng)度條件：
J=F1（πd1bz）≤[J] (1)

螺紋牙的彎曲強(qiáng)度條件：
σw＝3Fh/(πd1b2z)≤[σW] (2)

式中 F──螺紋所受的總軸向力，N
d1──螺紋小徑，mm
z──實(shí)際工作的螺紋牙圈數(shù)
b──螺絲牙根部的寬度，mm
h──螺紋牙的實(shí)際工作高度，mm
[J]──螺紋材料的許用剪應(yīng)力，Mpa
[σW]──螺紋材料的許用彎曲應(yīng)力，Mpa

又有：[J]≈0.6[σW]，[σW]≈σs/(3~5)，σs≈(0.52~0.65) σb，σb≈（3.2~3.5）HBS，故有螺紋牙的彎曲強(qiáng)度σW與螺紋材料的布氏硬度HBS之間的關(guān)系：

σW＝（0.52~0.65） (3.2~3.5)/4HBS （3）

將式（3）代入式(1),可得到螺紋牙需要的強(qiáng)度值。此值可以作為對(duì)螺紋表面感應(yīng)淬火時(shí)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

（3）螺紋旋緊時(shí)，用扭矩監(jiān)測(cè)儀控制旋緊力矩，避免旋緊力矩過大而造成絲扣粘連。

2．預(yù)防絲扣滲漏采取的措施

絲扣滲漏雖然無法從根本上完全避免，但可以考慮從以下幾個(gè)方面做好預(yù)防，盡量降低管道漏滲的流質(zhì)量。

（1）加工螺紋時(shí)，應(yīng)盡量提高螺紋牙的表面質(zhì)量，降低其表面粗糙度值（Ra≤1.6μm）。可考慮用加精度高尤其是加工螺紋時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好的數(shù)控車床來加工。
（2）旋緊螺紋時(shí)，固定上扣的扭矩下限，以防止扭矩過小而使絲扣松脫滲漏。
（3）螺紋時(shí)，采取有效的密封措施，如在螺紋通道中充填密封脂。

3. 預(yù)防螺紋牙斷裂所采取的措施

根據(jù)螺紋牙斷裂失效的原因分析，采取以下預(yù)防措施可有效降低該類失效形式的發(fā)生率：

（1）加工螺紋時(shí)，要避免在螺紋終端（退刀處）產(chǎn)生不完全螺紋，防止在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使螺紋牙疲勞破壞。
（2）在接箍底部和外螺紋內(nèi)端部采取合適的密封措施，盡量避免管道內(nèi)的流質(zhì)進(jìn)入螺紋接合處，減少腐性磨損，防止螺紋牙銹蝕而導(dǎo)致其強(qiáng)度不足。
（3）對(duì)加工出的螺紋進(jìn)行射線檢測(cè)或者磁粉探傷等無損檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道螺紋部位的表面和內(nèi)部缺陷，避免有缺陷的螺紋扣下井。
（4）選用大小合適的扭矩旋緊螺紋，避免因預(yù)緊力過大而超出螺紋材料的強(qiáng)度極限造成螺紋牙折斷。