套管及油管螺紋連接熱循環試驗載荷的探討*

婁　琦，李東風，楊　鵬，王　蕊，韓　軍

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077)

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套管及油管螺紋連接熱循環試驗載荷的探討*

婁琦，李東風，楊鵬，王蕊，韓軍

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077)

摘要:針對套管及油管螺紋連接的全尺寸熱循環試驗，分析了現行國際標準對于載荷點的規定，指出了其中存在的問題;進而設計出了新的試驗載荷點;根據試驗載荷包絡線有效試驗區域的確定，探討了新試驗載荷點的合理性。結果表明:試驗程序的改進，有效提升了套管和油管的評價方法的科學性。

關鍵詞:全尺寸試驗;熱循環試驗;試驗載荷包絡線;載荷點

0　引言

套管和油管是石油工業油氣勘探開發及鉆采過程中不可或缺的專用管材，其質量的好壞直接影響著鉆采作業的成敗、油氣田生產的成本和使用壽命。隨著油氣田勘探開發力度的加大，深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱采井、定向井、水平井等油氣井不斷增多，嚴苛工況油氣井勘探開發對油套管的質量和性能也提出了越來越苛刻的要求［1］。單根油管或套管通過螺紋接頭連接形成油管柱或套管柱，螺紋接頭部分成為管柱中的重要組成部分。在油氣井中，油/套管柱長期承受拉伸、壓縮、彎曲、內壓、外壓及溫度等載荷產生的復合應力的考驗［2］，因此，除常規的材料性能、幾何尺寸、無損檢測、螺紋參數需滿足產品標準要求外，管柱其整體性能亦尤為重要，不僅需要具備符合生產要求的結構完整性，還需要有良好的抗粘扣性能和密封性能［3，4］。

ISO 13679:2002［5］是現行的套管及油管螺紋連接試驗程序國際標準，其試驗目的是評價套管、油管及其螺紋連接的粘扣趨勢、密封性能和結構完整性。該標準是目前國際上評價油/套管最為嚴格和全面的試驗標準，自實施以來為制造廠驗證其設計產品的性能，以及為油田用戶確定產品的適用性發揮了無可替代的作用。標準中引入了試驗載荷包絡線(TLE)，并將其作為試驗和評價的準則。試驗載荷包絡線根據Von Mises最小形變能準則計算得出，用來描述管體/接頭復合承載能力的臨界點，在保證安全的前提下使試樣承受盡可能高的載荷或復合載荷，以評價油/套管的密封性能和結構完整性是否滿足設計或使用要求。

標準中的試驗載荷包絡線試驗，主要評價油/套管的密封性能，根據涉及載荷種類的不同，分為A系試驗、B系試驗和C系試驗三個部分。其中，C系試驗為拉伸和內壓條件下的熱循環試驗，其試驗目的為評估服役條件下，在拉伸和內壓加速作用下的接頭在熱循環時泄漏的可能性。標準中給出了熱循環試驗載荷點的設置方法，在實際試驗過程中發現，其復合載荷超過管體理論可承受的軸向總載荷，認為此為不妥之處。根據實驗室全尺寸評價試驗經驗，采用標準使用的計算方法，通過探討和對比分析，設計出新的熱循環試驗載荷點，為科學合理的進行油/套管螺紋連接試驗，科學評價產品全尺寸性能具有積極的意義和重要的作用。

1　標準中熱循環試驗載荷點分析

采用標準中適用于最苛刻用途的接頭使用級別的熱循環試驗為例，介紹試驗的過程，論證載荷點。即將闡述的問題，在套管和油管螺紋連接的全尺寸實物評價試驗中均存在，為簡化論述，選取一種規格的套管展開分析。

1.1熱循環試驗

在試驗中，施加到試樣上的載荷為:軸向拉伸框架載荷(Fi)、內壓(pi)和溫度(高溫不小于180℃);試樣實際承受的載荷，由兩個重要的參數來表示: VME應力(馮·米塞斯等效應力，σv)和軸向總載荷(Fa)，其中軸向總載荷包括框架作用的軸向載荷(Fi)和壓力引起的軸向載荷(FCEPL)，文中室溫和高溫的符號均增加a或e標記。

試驗的過程，如圖1所示。試驗可以分為:室溫下的內壓/拉伸載荷循環，溫度循環和高溫下內壓/拉伸載荷循環三部分。其中，室溫下的內壓/拉伸載荷循環的載荷點LPa，包含軸向框架拉伸載荷和內壓兩種載荷，即為室溫下最大的機械載荷;溫度循環和高溫下內壓/拉伸載荷循環的載荷點LPe，同樣也包含軸向框架拉伸載荷和內壓兩種載荷，即為高溫下最大的機械載荷。

圖1　熱循環試驗過程

1.2載荷點設置

以某Φ177.80 mm×9.19 mm P110特殊螺紋套管為例，套管的管體和接箍等強度，試驗依據的試樣參數，見表1。

表1　試樣參數

假定螺紋連接與管體效率等同，室溫或高溫VME等效應力載荷選用管體或接箍材料的室溫或高溫實測最小屈服強度、管體名義外徑和管體實測最小壁厚為試驗載荷的計算依據。標準對熱循環試驗載荷點的定義，簡述如下。室溫最大機械載荷(室溫載荷點LPa):拉伸載荷取80％屈服載荷;內壓載荷取95％ VME應力包絡線載荷。高溫最大機械載荷(高溫載荷點LPe):內壓和室溫下的內壓相同，拉伸載荷取90％ VME應力包絡線載荷。標準中，沒有明確的表述拉伸載荷為Fi還是Fa，因此，本文將分為兩個方案分別闡述。

第一種方案:此處的拉伸載荷為軸向框架拉伸載荷(Fi)，試驗載荷點和加載路徑，如圖2所示。圖中展示了室溫下管體100％ VME包絡線，即為管柱理論承受的最大載荷;室溫下管體95％ VME包絡線，是標準設定的室溫試驗載荷包絡線，即由增加了安全系數的最大試驗載荷組成，LPa為其中的一點;高溫管體95％ VME包絡線，即為高溫下試驗載荷包絡線，LPe為其中的一點。從圖中可以看出，在室溫條件下，對管體施加軸向框架拉伸載荷Fi

a=80％ Fta，再施加內壓pi

a，達到95％ VME包絡線載荷，而此時LPa的軸向總載荷Faa＞Ft

a，因此，在該載荷點，管體承受了超過其理論承載能力的軸向總載荷，是危險的。此為該方案計算得到載荷點的不合理之處。

圖2　方案一熱循環試驗加載路徑和載荷點

進行高溫下的載荷循環和溫度循環時，載荷點具有和室溫載荷點相同的內壓，再施加達到高溫90％ VME包絡線載荷，雖然此時LPe的軸向總載荷，同樣是不合理的。

對于試驗載荷點的安全區域，也稱之為有效試驗區域，如圖3所示。圖中陰影面積區域由試驗載荷點組成，圖(a)中所示的室溫95％VME包絡線之內的區域，為理論上室溫載荷的試驗區域，在其中的載荷點都是安全的，包絡線上的載荷點為最大載荷點;高溫的載荷區域也有相應的表示。而實際上，載荷包絡線上及其內軸向總載荷超過95％的區域是超過管材設計承載能力的，高溫同理。因此，安全有效的試驗區域，應如圖(b)所示。

顯然，方案一計算出的載荷點LPa和LPe均不在安全有效的試驗區域，該方案不合理。

圖3　有效試驗區域

第二種方案:此處的拉伸載荷為軸向拉伸總載荷(Fa)，即。通過軸向總載荷和VME應力同時達到設計要求來計算試驗載荷點，如圖4所示。從圖中可以看出，室溫載荷點LPa在有效試驗區域內。標準要求，那么，所有符合該條件的載荷點，均超出了高溫條件下的有效試驗區域，VME應力超出了高溫90％ VME包絡線，無法確定出符合條件的LPe，此為該方案計算載荷點的不合理之處。

因此，采用標準中熱循環試驗的程序設計方法，不管其中表述不清楚的拉伸載荷為Fi還是Fa，均存在不合理之處，無法得到安全有效的試驗載荷點。

圖4　方案二熱循環試驗加載路徑和載荷點

2　熱循環試驗載荷點新方案

方案二中計算出的載荷點LPa在安全有效的試驗區域內，并且使管柱同時承受了較大的軸向框架載荷和內壓，對于檢驗管柱承受載荷循環的能力，是合理的、恰當的。

在設計的新方案(方案三)中，室溫載荷點LPa采用與方案二相同的方法確定，即施加，同時滿足和室溫95％ VME包絡線載荷。高溫載荷點LPe的計算，不再采用標準要求的高溫和室溫內壓相同這一條件，將其變更為LPe的載荷同時滿足和高溫90％ VME包絡線載荷。載荷點和加載路徑，如圖5所示。

圖5　方案三熱循環試驗加載路徑和載荷點

通過新方案的載荷點計算和設定方法，設計的室溫和高溫載荷點，以及加載過程中的過渡試驗點，均在安全有效的試驗區域內，解決了標準中程序計算方法帶來的加載載荷不合理的問題，通過理論分析和多種規格的油管和套管的全尺寸實物試驗驗證，均證明該方案能充分滿足試驗目的要求。方案三中新的熱循環試驗載荷點，因其科學性和合理性，為科學合理的進行油/套管螺

紋連接試驗，科學評價產品全尺寸性能具有積極的意義，也給解決實際試驗問題，提供了新思路。

3　結論

1)現行國際標準中，關于套管和油管螺紋連接熱循環試驗載荷的計算，因載荷點超出安全有效的試驗范圍，為不合理的程序設計方法。

2)通過使管柱承受的軸向框架拉伸載荷和內壓在室溫和高溫同時滿足軸向總載荷和相應VME應力載荷的要求，計算出了合理有效的試驗載荷點。

3)實際試驗表明，改進設計的載荷點，滿足熱循環試驗目的實現要求。

參考文獻

［1］李鶴林.石油管工程文集［M］.北京:石油工業出版社，2011: 33－128.

［2］宋治，馮耀榮.油井管與管柱技術及應用［M］.北京:石油工業出版社，2007: 1－144.

［3］Payne M L，Schwind B E.A New International Standard for Casing/Tubing Connection Testing［C］.SPE/IADC 52846，1999.

［4］馮耀榮，韓禮紅，張福祥，等.油氣井管柱完整性技術研究進展與展望［J］.天然氣工業，2014，34(11): 73－81.

［5］ISO.ISO 13679－2002，Petroleum and natural gas industries －procedures for Casing and Tubing Connections［S］.Switzerland: ISO copyright office，2002.

Speculation on Thermal Cycling Test Loads of Casing and Tubing Connections

LOU Qi，LI Dongfeng，YANG Peng，WANG Rui，HAN Jun
(CNPC Tubular Goods Research Institute，State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:Aiming at thermal cycling test of casing and tubing thread connections，the specification of the current international standard on test loads is analyzed，and the existing problems were pointed out.And then a new program to calculate the test loads is designed.According to the confirmed effective test area of the test load envelope，the rationally of new procedure of thermal cycling test loads was tested.The results indicate that the evaluation method of casing and tubing based on the improved the rest procedure is more scientific.

Key words:full-scale tests; thermal cycling tests; test load envelope; load point

(收稿日期:2015－11－30編輯:屈憶欣)

第一作者簡介:婁琦，女，1981年生，工程師，2008年畢業于中國石油大學(華東)材料學專業，現在石油管工程技術研究院從事油套管質量評價及試驗研究工作。E-mail: louq@ cnpc.com.cn

基金項目:中國石油集團石油管工程技術研究院項目“復合加載試驗系統能力開發與試驗技術研究”(項目編號: TGRI－2014－YK－19)

中圖法分類號:TE931

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0029－03