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，得以廣泛應用。

　　管螺紋在使用過程當中，由于受其本身及外界因素的影響，時常會發(fā)生各種故障，影響了正常的工作。經過對失效管理進行調查和分析，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合磨損兩大類。

　　井用管螺紋在聯(lián)接和拆卸的旋進旋出過程中，各種雜物會不可避免地落于螺紋牙面和槽內，這些硬質顆粒狀雜物對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、旋緊接箍后預緊力產生的附加載荷、管道內流體介質內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生較大的接觸應力，使螺紋牙表面上的較大的承載凸峰產生粘著。接觸應力的變化，使粘著點切開而形成磨屑，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)的結果是形成了新的復合磨損。

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。螺紋材料與管道內流質中的某些化學成分發(fā)生化學反應或電化學反應，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)與流體介質發(fā)生反應，如此過程的重復就形成了腐蝕性磨損。

　　螺紋牙的側表面和牙頂經腐蝕磨損后，牙型發(fā)生變化，內外螺紋旋合外的徑向間隙增大，導致滲漏。

3．螺紋牙折斷

　　管道自身的重量、管內流體介質的作用所產生的軸向載荷以及螺紋防松的預緊力均作用于管螺紋的螺紋牙上，腐蝕性磨損又會使螺紋牙的厚度尺寸減小、強度降低，當載荷大于螺紋牙的強度極限時，就會發(fā)生螺紋牙斷裂。

失效的預防措施

1．預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，因此可采取下列預防措施：

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

螺紋牙的剪切強度條件：
J=F1（πd1bz）≤[J] (1)

螺紋牙的彎曲強度條件：
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──實際工作的螺紋牙圈數
b──螺絲牙根部的寬度，mm
h──螺紋牙的實際工作高度，mm
[J]──螺紋材料的許用剪應力，Mpa
[σW]──螺紋材料的許用彎曲應力，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度σW與螺紋材料的布氏硬度HBS之間的關系：

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度值。此值可以作為對螺紋表面感應淬火時的參考標準。

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

2．預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方面做好預防，盡量降低管道漏滲的流質量。

（1）加工螺紋時，應盡量提高螺紋牙的表面質量，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適應性強、靈活性好的數控車床來加工。
（2）旋緊螺紋時，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，采取有效的密封措施，如在螺紋通道中充填密封脂。

3. 預防螺紋牙斷裂所采取的措施

根據螺紋牙斷裂失效的原因分析，采取以下預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，要避免在螺紋終端（退刀處）產生不完全螺紋，防止在該處產生應力集中，致使螺紋牙疲勞破壞。
（2）在接箍底部和外螺紋內端部采取合適的密封措施，盡量避免管道內的流質進入螺紋接合處，減少腐性磨損，防止螺紋牙銹蝕而導致其強度不足。
（3）對加工出的螺紋進行射線檢測或者磁粉探傷等無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)管道螺紋部位的表面和內部缺陷，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，避免因預緊力過大而超出螺紋材料的強度極限造成螺紋牙折斷。