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管螺纹的失效分析与防范

发布时间:2014-07-23  新闻来源:凯威精密配件

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井用上水管道常用的连接方式有两种:一种是粘圈密封法兰盘连接,另一种是管螺纹联接。其中管螺纹联接以其安装工艺简便和易下管的优势,得以广泛应用。
管螺纹在使用过程当中,由于受其本身及外界因素的影响,时常会发生各种故障,影响了正常的工作。经过对失效管理进行调查和分析,发现失效部位大都发生在管螺纹联接处,表现出的失效形式主要有以下几种类型:丝扣粘连(粘扣)、丝扣渗漏、纹牙折断和联接处的管体裂纹等。
失效原因分析
1.丝扣粘连
丝扣粘连是指管道接箍处的螺纹发生了磨损破坏,使螺纹牙的形状及其尺寸发生了变化的一种失效形式。
磨损是粘扣的主要和直接原因,管螺纹的磨损主要有磨料磨损和复合磨损两大类。
井用管螺纹在联接和拆卸的旋进旋出过程中,各种杂物会不可避免地落于螺纹牙面和槽内,这些硬质颗粒状杂物对螺纹牙有切削和刮擦作用,从而引起联接表面材料的脱落而形成磨粒磨损。
管螺纹受到的载荷包括管道自重、旋紧接箍后预紧力产生的附加载荷、管道内流体介质内压所形成的轴向静载荷等。这些载荷在管螺纹的螺纹牙表面产生较大的接触应力,使螺纹牙表面上的较大的承载凸峰产生粘着。接触应力的变化,使粘着点切开而形成磨屑,磨屑在螺纹牙的接触面间成为磨料,继而出现磨料磨损,如此循环的结果是形成了新的复合磨损。
2.丝扣渗漏
形成丝扣渗漏失效的最主要原因是腐蚀性磨损。螺纹材料与管道内流质中的某些化学成分发生化学反应或电化学反应,生成的腐蚀物在螺纹牙表面粘附不牢而易脱落,新的螺纹牙表面继续与流体介质发生反应,如此过程的重复就形成了腐蚀性磨损。
螺纹牙的侧表面和牙顶经腐蚀磨损后,牙型发生变化,内外螺纹旋合外的径向间隙增大,导致渗漏。
3.螺纹牙折断
管道自身的重量、管内流体介质的作用所产生的轴向载荷以及螺纹防松的预紧力均作用于管螺纹的螺纹牙上,腐蚀性磨损又会使螺纹牙的厚度尺寸减小、强度降低,当载荷大于螺纹牙的强度极限时,就会发生螺纹牙断裂。
失效的预防措施
1.预防丝扣粘连采取的措施
磨损是丝扣粘连的主要和直接原因,因此可采取下列预防措施:
(1)采用喷镀技术(如刷镀铜)给管螺纹牙表面涂层,提高其耐磨性。
(2)对螺纹表面进行表面感应淬火强化处理,以增加螺纹牙的强度和硬度。这种方法的应用性较好,一般情况下,只要能确实保证螺纹牙足够的硬度,螺纹牙就不会产生粘扣这种失效。螺纹牙实际需要的硬度可以通过其强度计算而得到。
螺纹牙的剪切强度条件:
J=F1(πd1bz)≤[J] (1)
螺纹牙的弯曲强度条件:
σw=3Fh/(πd1b2z)≤[σW] (2)
式中 F──螺纹所受的总轴向力,N
d1──螺纹小径,mm
z──实际工作的螺纹牙圈数
b──螺丝牙根部的宽度,mm
h──螺纹牙的实际工作高度,mm
[J]──螺纹材料的许用剪应力,Mpa
[σW]──螺纹材料的许用弯曲应力,Mpa
又有:[J]≈0.6[σW],[σW]≈σs/(3~5),σs≈(0.52~0.65) σb,σb≈(3.2~3.5)HBS,故有螺纹牙的弯曲强度σW与螺纹材料的布氏硬度HBS之间的关系:
σW=(0.52~0.65) (3.2~3.5)/4HBS (3)
将式(3)代入式(1),可得到螺纹牙需要的强度值。此值可以作为对螺纹表面感应淬火时的参考标准。
(3)螺纹旋紧时,用扭矩监测仪控制旋紧力矩,避免旋紧力矩过大而造成丝扣粘连。
2.预防丝扣渗漏采取的措施
丝扣渗漏虽然无法从根本上完全避免,但可以考虑从以下几个方面做好预防,尽量降低管道漏渗的流质量。
(1)加工螺纹时,应尽量提高螺纹牙的表面质量,降低其表面粗糙度值(Ra≤1.6μm)。可考虑用加精度高尤其是加工螺纹时适应性强、灵活性好的数控车床来加工。
(2)旋紧螺纹时,固定上扣的扭矩下限,以防止扭矩过小而使丝扣松脱渗漏。
(3)螺纹时,采取有效的密封措施,如在螺纹通道中充填密封脂。
3. 预防螺纹牙断裂所采取的措施
根据螺纹牙断裂失效的原因分析,采取以下预防措施可有效降低该类失效形式的发生率:
(1)加工螺纹时,要避免在螺纹终端(退刀处)产生不完全螺纹,防止在该处产生应力集中,致使螺纹牙疲劳破坏。
(2)在接箍底部和外螺纹内端部采取合适的密封措施,尽量避免管道内的流质进入螺纹接合处,减少腐性磨损,防止螺纹牙锈蚀而导致其强度不足。
(3)对加工出的螺纹进行射线检测或者磁粉探伤等无损检测,及时发现管道螺纹部位的表面和内部缺陷,避免有缺陷的螺纹扣下井。
(4)选用大小合适的扭矩旋紧螺纹,避免因预紧力过大而超出螺纹材料的强度极限造成螺纹牙折断。
结语
井用管螺纹在使用过程当中,导致其失效的主要原因多与螺纹表面质量和上扣扭矩有关。因此,选择合理的螺纹加工方法、工艺及合适的加工设备以提高其制造精度,作好上扣扭矩数值大小的实验分析和计算以选择合适的上扣扭矩的上、下限,是预防管螺纹各种失效现象发生的基本和有效途径。


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