油、套管API圓螺紋配合間隙對其密封性的影響

田 青

中國石油長慶油田分公司物資供應處商檢所 （陜西 咸陽 712000）

油、套管API圓螺紋本身設計上就存在間隙，因此其密封性不佳。間隙的大小直接決定其密封性的好與差。間隙越小密封性越好，間隙越大密封性越差。API Spec 5B標準[1]中對螺紋的各項參數都有規定，例如，齒高、牙型角、螺距、錐度、中徑等，但由于加工的原因，導致實際中螺紋參數存在公差，公差的大小直接影響螺紋間隙的大小，也就影響了API圓螺紋密封性的好與差。

1 API圓螺紋配合間隙分析計算

油、套管API圓螺紋結構圖見API Spec 5B標準，油、套管圓螺紋標準尺寸配合下，上扣后的圓螺紋在齒頂和齒底之間存在間隙，齒側面則無間隙。

實際中加工出的API圓螺紋都存在公差。公差的大小直接決定螺紋配合間隙的大小，也就影響了螺紋接頭的密封性。同時不同類型的公差也會影響配合間隙位置，例如，因齒高公差產生的配合間隙在外螺紋齒頂與內螺紋齒底 （或外螺紋齒底與內螺紋齒頂）之間，因牙型角公差產生的配合間隙在螺紋牙側，因錐度和中徑公差產生的配合間隙都在外螺紋齒頂與內螺紋齒底之間。這些間隙的面積都是不規則圖形，有些可以簡化計算，有些較難計算。下面以間隙面積為衡量標準，說明油、套管API圓螺紋齒高、牙型角、錐度以及公差對接頭密封性的影響。

1.1 齒高對間隙面積影響的分析計算

對于齒高，假設三角形邊與兩段圓弧是相切的，那么將圓弧的圓心與切點相連，這樣與三角形中線和邊一起構成一個銳角為30°的直角三角形，如圖1所示。圖1中Scs表示外螺紋牙頂削平高度，Srn表示內螺紋牙底削平高度，R外螺紋表示外螺紋牙頂倒角半徑，R內螺紋表示內螺紋牙底倒角半徑。

圖1 因齒高產生的配合間隙面積示意圖

對于外螺紋，sin30°×(R外螺紋+Scs)=R外螺紋；

對于內螺紋，sin30°×(R內螺紋+Sm)=R內螺紋；

因此得出，R外螺紋=Scs，R內螺紋=Sm。

從圖1上觀察，外螺紋齒頂圓弧與三角形兩邊構成的面積S=S四邊形-S扇形，內螺紋齒底圓弧與三角形兩邊構成的面積 S′=S′四邊形-S′扇形，因此，由齒高公差產生的配合間隙面積，S齒高=S-S′。

通過計算得到配合間隙面積，圓螺紋在齒高公差為零時間隙面積是0.086 559 594mm2；當極限公差配合間隙最小時，即外螺紋齒高最大內螺紋齒高最小時，配合間隙面積為0；當極限公差配合間隙最大時，即外螺紋齒高最小內螺紋齒高最大時，配合間隙面積為0.177 798 086mm2。

進一步理解，API Spec 5B標準中規定了內外螺紋的齒高hs和hn的正公差是0.050 8mm（0.002in），但沒有規定hs的正公差是由Scs減小帶來的,還是由Srn增大帶來的，或是同時由Scs減小Srn增大帶來的。

這里假定3種情況，第一是hs的公差完全由Scs變化帶來，第二是hs的公差完全由Srn變化帶來，第三是hs的公差由Scs和Srn同時變化帶來，且兩者變化的絕對值相同。3種情況的計算結果見表1?？梢钥闯觯旪X高負公差完全由Srn變大帶來，螺紋配合間隙面積為負，也就是說這時會產生過盈量，對于油套管API圓螺紋而言那就意味著會產生粘扣，但實際中統計結果顯示油套管API圓螺紋并不存在這樣的粘扣情況，所以這種情況不存在。即油套管API圓螺紋齒高負公差不可能完全由Srn減小帶來。

以油套管API圓螺紋齒高負公差為例，采用由Scs和Srn同時變化帶來且兩者變化的絕對值相同，計算公差量大小對螺紋間隙面積的影響量，結果見表2。可以看出，隨著公差量的減小，間隙面積也隨之減小，即密封性有所改善。

表1 因齒高公差產生的螺紋間隙面積 mm2

表2 齒高公差量對間隙面積的影響mm2

1.2 牙型角對間隙面積影響的分析計算

對于牙型角，標準中規定牙型角的公差是±1.5°，也就是最大 61.5°，最小 58.5°，因此，由牙型角公差引起的牙側間隙值：

間隙面積為S牙形角=H×YC，其中H為原始三角形高度，極限公差時最大配合間隙面積為0.222 477 089mm2。

1.3 錐度對間隙面積影響的分析計算

對于錐度，標準中規定錐度的公差是+0.132 08/25.4mm到-0.066 04/25.4mm，因此，錐度最大值是1.719 58/25.4mm，最小值是1.521 46/25.4mm。螺紋截面圓錐頂角：

αmax=2arctan(0.067 7/2)=3.877 444°；

αmin=2arctan(0.059 9/2)=3.430 992°。

錐度公差引起的圓錐截面單側間隙，Z=L4為從端部到螺紋消失端長度。以Φ177.8mm長圓套管為例，L4=101.6mm。得到Z=0.396 239 82mm。所以間隙面積 S錐度=ZL4=40.257 965 76mm2。

2 螺紋參數公差與密封性的關系

接頭密封性與螺紋配合間隙面積成正比，所以螺紋參數對配合間隙面積的影響，即對接頭密封性的影響。

齒高、牙型角、錐度3項參數因公差而產生的最大間隙面積見表3?？梢钥闯觯蝈F度公差而產生的間隙面積最大，高出其他兩項2個數量級，牙型角次之，最小的是齒高。因此，說明錐度公差對螺紋密封性的影響最大，牙型角公差對螺紋密封性的影響較齒高大，但遠遠小于錐度公差對螺紋密封性的影響。

以上考慮的都是單個螺紋參數公差對接頭密封性的影響，如果將上述齒高、牙型角以及錐度公差的影響效果疊加起來，那么將是一個十分復雜的計算過程，這里就不進行計算了。但從常識上可以判斷各螺紋參數公差產生的配合間隙面積疊加起來，將超出任何單個螺紋參數公差產生的配合間隙面積。也就是說，疊加各螺紋參數公差對接頭密封性的影響要大于任意單個螺紋參數公差對接頭密封性的影響。

表3 螺紋參數公差產生最大間隙面積 mm2

綜上所述，油、套管API圓螺紋各螺紋參數公差都對接頭密封性有影響，其中以錐度公差的影響最大，牙型角公差的影響較小，齒高公差的影響最小。因實際中螺紋是同時存在各項公差，其對接頭密封性的影響效果將疊加起來。

3 提高螺紋密封性的措施

控制油、套管API圓螺紋各項螺紋參數的公差可以提高其接頭密封性。按照各螺紋參數公差對接頭密封性的影響程度，應該首先控制錐度公差，然后控制牙型角公差，其次是控制齒高公差。

除了控制螺紋參數公差外，對于油、套管API圓螺紋，使用特殊密封螺紋脂、提高螺紋表面處理的鍍層厚度、增加密封環、嚴格控制上扣扭矩和圈數都可以提高氣密封性[2]。

油、套管API圓螺紋脂是指按API RP 5A3標準[3]生產的一種油基脂，含有一定的固體填料（占總質量的64%），例如，銅、鉛鋅以及石墨等。這些軟金屬在螺紋配合時接觸壓力的擠壓下，形成固體填料顆粒的聚結，堵塞螺紋間隙，封閉泄漏通道，起到密封作用。但該油基螺紋脂在高溫下或長期服役后會發生揮發、變質等現象，導致密封性的下降[3]。

對螺紋表面進行處理不但可以提高螺紋的密封性，同時還可以起到防止螺紋銹蝕及抗粘扣的作用。通常實際中只對油、套管API圓螺紋接箍進行磷化或鍍鋅處理，磷化膜的厚度只有8～15μm，鍍鋅層的厚度只有15～25μm。研究表明，為了防止泄漏，表面處理膜的厚度應不低于20μm，達到60μm密封效果最佳。

API Spec 5CT標準[4]里補充條件SR13中規定有帶密封槽的接箍，就是在接箍上加工一個密封槽，然后在密封槽內放置彈性密封圈，來提高螺紋的密封能力。放置部位一般在螺紋前部、中部、后部都行，彈性密封圈最好用25%玻璃纖維的純聚四氟乙烯（PTFE）。但采用該方法需注意密封圈和密封槽的配合量，以及密封圈老化等問題。

控制好油、套管API圓螺紋上扣扭矩和圈數同樣可以提高其密封性。僅控制上扣扭矩是無法達到最佳上扣狀態，這樣就會因為螺紋接觸壓力的問題，導致密封性不佳。上扣不緊，密封性差，上扣過緊，可能導致螺紋發生粘扣，密封性也不佳[5]。因此，螺紋上扣時必須同時滿足最小緊扣扭矩和最小緊扣圈數的要求。

雖然提高油套管API螺紋密封性的方法很多，但由于其本身缺陷，不存在密封結構，對于壓力、溫度較高的井不建議使用API螺紋油套管。特別是氣井，實物實驗研究表明API螺紋接頭的密封壓力對于氣體較差，對于液體相對較好，前者是后者的四分之一。因此，建議對密封性要求較高的油氣井使用非API結構的螺紋，在螺紋中增加一至兩個密封面和扭矩臺肩，利用金屬-金屬過盈量來顯著提高接頭密封性。

4 結論

1）油、套管API圓螺紋配合后存在間隙，各項螺紋參數的公差會影響間隙的大小，經過計算得出錐度的影響程度最大。

2）通過減小螺紋參數公差、使用密封螺紋脂、增加鍍層厚度、增加密封圈、控制上扣扭矩圈數等方法可以提高油、套管API圓螺紋密封性。

[1]API Specification 5B Specification for Threading,Gauging and Thread Inspection of Casing,Tubing and Line Pipe Threads[S].

[2]史交齊，樂靜.提高API螺紋油管和套管密封性的措施[J].石油機械,2002,30(3):47-49.

[3]API RP 5A3 Thread Compounds For Casing,Tubing And Line Pipe[S].

[4]API Specification 5CT Specification for casing and tubing[S].

[5]李昱坤，易曉明，李京川，等.國內非API油套管質量現狀淺談[J].石油工業技術監督，2012,28（6）:13-15.