API偏梯形螺紋接頭套管設計解析

彌小娟 ，呂拴錄

(1.新疆油田公司烏魯木齊石油物資儲運公司　新疆　烏魯木齊　830068；2.中國石油大學材料科學與工程系　北京　102249)

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·開發設計·

API偏梯形螺紋接頭套管設計解析

彌小娟1，呂拴錄2

(1.新疆油田公司烏魯木齊石油物資儲運公司新疆烏魯木齊830068；2.中國石油大學材料科學與工程系北京102249)

通過對API偏梯形螺紋接頭牙形、基本參數和抗拉強度設計等進行分析，加深了對偏梯形螺紋接頭設計原理的理解。通過對API偏梯形螺紋接頭結構尺寸進行分析，搞清了偏梯形螺紋接頭螺紋總長L4、完整螺紋長度L7、不完整螺紋長度g、螺紋大端直徑D4、螺紋中徑E7和管體外徑等參數之間的關系。

偏梯形螺紋套管接頭；螺紋牙形；螺紋結構尺寸；螺紋長度；螺紋中徑；螺紋大端直徑

0　引　言

隨著石油工業的發展和鉆井技術的要求，深井和超深井越來越多，對套管連接強度要求越來越高。API偏梯形螺紋接頭連接強度高，目前已經被大量使用在深井和超深井。對于API偏梯形螺紋接頭套管，許多學者進行了研究。文獻[1]論述了244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4長度公差分析及控制。文獻[2]對339.7 mm偏梯形螺紋接頭套管密封性能和連接強度進行了試驗研究。文獻[3]分析了螺紋公差帶對偏梯形螺紋接頭密封性能的影響。然而，由于目前缺乏對API偏梯形螺紋接頭設計原理及各項螺紋參數含義等系統分析和研究，油田套管柱設計選擇扣型方面還存在不足，生產廠在偏梯形螺紋接頭套管生產、檢驗方面還存在不同的認識，油田在偏梯形螺紋接頭套管到貨驗收方面也存在一些問題。因此，很有必要對偏梯形螺紋接頭牙形設計和結構尺寸設計進行研究。

1　API偏梯形螺紋接頭設計思想

1.1管螺紋設計思想

管螺紋設計主要包括螺紋基本牙形[4]設計和結構尺寸設計兩項內容。螺紋基本牙形設計包括齒高、螺距和牙形角的確定；螺紋結構尺寸設計包括螺紋直徑、螺紋錐度和螺紋長度的確定。螺紋的齒高、螺距和牙形角是確定螺紋牙形的三個基本要素；螺紋的直徑、錐度和長度是確定螺紋整體結構尺寸的三個基本要素。

1.2偏梯形螺紋牙形設計

為提高螺紋接頭的軸向承載能力，API Spec 5B[5]偏梯形螺紋牙形采用近似 “等強度梁”的“偏梯形”截面形狀，其牙形角為13°，其中承載面牙形半角為3°，導向面牙形半角為10°，如圖1所示。承載面牙形半角采用小角度自鎖設計，使得螺紋接頭在軸向拉伸載荷作用下，其內、外螺紋承載接觸面之間產生的徑向分力F小于內、外螺紋承載接觸面之間的徑向摩擦力，即螺紋承載面牙形半角α小于或等于內、外螺紋材料間的摩擦角λ(摩擦角λ=arctanμ，μ為材料的摩擦系數)，減小了內、外螺紋沿徑向滑脫失效的傾向。這就是在拉伸載荷作用下，API 偏梯形螺紋接頭不容易發生滑脫失效的根本原因。綜上所述，API偏梯形螺紋牙形具有如下兩個顯著特點：

圖1　API偏梯形螺紋牙形

1)牙形截面形狀采用近似的“等強度梁”設計，承載能力強；

2)牙形承載面采用小角度自鎖設計，螺紋接頭不容易發生滑脫失效。

1.3API偏梯形螺紋的基本參數

1.4API偏梯形螺紋接頭抗拉強度設計

為提高偏梯形套管螺紋接頭的整體抗拉強度，API偏梯形套管螺紋接頭從下述兩個方面進行了最優化的結構尺寸設計。

a)螺紋接頭本身的抗拉強度要足夠大(理論上大于或等于管體抗拉強度即可)，這就要求內、外螺紋應有足夠的嚙合長度以保證接觸強度要求的牙形接觸面積和螺紋抵抗剪切破壞強度要求的牙形剪截面積[3]。

b)外螺紋的牙底小錐自然延伸到管體外徑，就是說外螺紋按規定的錐度在管體外徑處自然消失，全部螺紋在加工過程中不存在突然退刀現象。同時，接箍內螺紋與全部外螺紋(包括不完整螺紋)配合，這就使得套管螺紋接頭在軸向拉伸載荷作用下的危險截面積(理論上)應該近似等于管體的橫截面積。一般情況下，由于接箍的危險界面積大于管體，所以說，API偏梯形套管螺紋接頭的抗拉強度近似達到了管體的抗拉強度(圖2)。

2　API偏梯形螺紋的尺寸分析

根據幾何學原理，對圓錐而言，如果確定了圓錐的長度、錐度和直徑(可以是大端、小端或某一確定截面位置的直徑)數值，那么這個圓錐就是唯一確定的。與此類似，在螺紋牙形及螺紋錐度已經確定的條件下，螺紋長度和螺紋直徑是管螺紋設計時必須要確定的兩個重要參數。

圖2　API偏梯形螺紋結構尺寸

2.1螺紋長度

API偏梯形螺紋長度包括完整螺紋長度L7、不完整螺紋長度g以及螺紋全長L4三個參數，其相互關系如下。

L4=L7+g

(1)

不完整螺紋長度g僅與螺紋高度h及螺紋錐度k有關，可以認為g是常量。

g=2h/k=2×0.062×16=1.984 in

(2)

將式(2)代入式(1)，得

L4=L7+1.984 in

(3)

對于規格大于13 3/8in的偏梯形螺紋套管，

g=2h/k=2×0.062×12=1.488 in

(4)

將(4)式代入(1)式，得

L4=L7+1.488 in

(5)

式(3)和式(5)的意義在于螺紋的長度尺寸實質上只有一個，因為確定了L7的長度也就等于確定了L4長度，反之亦然。

通過對API Spec 5B標準規定的偏梯形螺紋尺寸進行分析，可以看出該標準是以常見的7 in套管為基準進行設計的，螺紋全長尺寸L4按英制單位習慣進行了系列優化。

為滿足API偏梯形螺紋接頭套管的抗拉強度理論上達到管體的抗拉強度的條件，螺紋設計應以標準系列中較大壁厚規格作為設計依據。API Spec 5B標準是以7 in×0.54 in規格為依據進行設計、計算的。下面，我們通過7 in×0.54 in管子來驗證上述推斷的正確性。

7 in×0.54 in管子的截面積Sg為

(4)

螺紋有效承載接觸高度為

h1=0.062-2×0.008=0.046(in)/0.0056

螺紋牙形承載面的接觸面積SJC近似等于牙高h1與螺旋線長度Lx的積[3]，即

SJC=0.046Lx

(5)

令SJC=Sg，聯立式(4)、式(5)，解得滿足強度要求的螺旋線長度為

Lx=238.24(in)

其中，SJC精確的計算式應為SJC=0.046Lcosγ，γ為螺紋的螺旋升角，γ=arctan(p/πd)，cosγ≈1。

螺紋牙形剪截面積SJQ的近似計算式為

SJQ=b×L

(6)

式(6)中：L—螺紋等效螺旋線長度；

b—螺紋牙底寬度。

對于API偏梯形螺紋，牙形剪截面積SSJ遠遠大于牙形接觸面積SJC，故在此可以不予考慮。

螺紋每一牙的螺旋線長度是不同的，在已知螺紋螺旋線長度的情況要精確計算螺紋牙數(或螺紋的軸向長度)是十分困難的。由于螺紋的錐度較小，螺紋大端與小端的直徑相差不大，可以用公稱值7 in為直徑的圓環來近似代替螺紋每一牙的螺旋線長度，那么滿足強度要求的螺紋的近似牙數n如下：

n=238.24/(7π)=10.83≈11(牙)[4]

上述結果表明，對于7 in×0.54 in規格的套管，11牙完整螺紋即可滿足抗拉強度要求。如果設計螺紋長度11牙為完整螺紋，再加上不完整螺紋的強度貢獻，則螺紋接頭的抗拉強度將有一定的定裕量。

不完整螺紋牙數為n′=1.984÷0.200=9.92≈10(牙)；

螺紋的總牙數為n+n′=21(牙)；

螺紋全長L4=21×0.200=4.200(in)。

可以看出，上述結果與API Spec 5B標準規范中7 in偏梯形螺紋的L4尺寸完全一致。

2.2螺紋大端直徑D4

滿足抗拉強度要求的螺紋長度確定后，下一步應該確定螺紋直徑。一般認為，API偏梯形螺紋的中徑值E7作為重要參數，應該屬于螺紋設計首先要確定的螺紋直徑值，實際上不是這樣。依據API偏梯形螺紋的設計理念—螺紋按規定錐度在管體外徑處自然消失的原則，螺紋的消失直徑值才是API偏梯形螺紋設計時首先要確定的螺紋直徑，中徑E7只是導出值而已。分析API Spec 5B標準可知，螺紋的理論消失直徑，也就是螺紋大端直徑D4。在確定了基本大端直徑D4后，再加上已經確定的螺紋長度L4和螺紋錐度k，螺紋的結構也就確定了。

螺紋接頭設計要明確規定管體外螺紋接頭與接箍內螺紋接頭相互配合的位置關系，也就是要規定最小機緊和最大機緊位置。分析API手緊與機緊上扣的位置(圖3)關系可以看出，

圖3　API偏梯形螺紋接頭擰接位置

對于7 in套管，管體的最大直徑為Dmax=7×(1+0.75%)=7.052 in。

最大與最小機緊位置之間的距離為：0.375+0.200=0.575 in，那么，D4=7.052-0.575÷16=7.016 in，D4與API Spec 5B規定的7 in偏梯形螺紋接頭套管D4值完全相同。

2.3螺紋中徑

螺紋中徑尺寸由下式確定。

E7=D4-h

對于7 in套管，E7=D4-h=7.016-0.062=6.954 in。

2.4螺紋的其它尺寸

螺紋的其它結構尺寸均可以由相關尺寸導出，這里不再贅述。

3　結　語

1)通過對API偏梯形螺紋套管接頭牙形、基本參數

和抗拉強度設計等進行分析，加深了對偏梯形螺紋接頭設計原理的理解。

2)通過對API偏梯形螺紋套管接頭牙形和結構尺寸進行分析，對API偏梯形螺紋接頭的設計原理及各項螺紋參數之間的關系有了更深刻、更全面的認識。

3)本文對于套管生產廠家和從事套管加工和檢驗的技術人員有一定指導意義。同時對油田從事套管柱設計和套管驗收的技術人員也有一定參考價值。

[1] 呂拴錄，姬丙寅，楊成新，等.244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4長度公差分析及控制[J].石油礦場機械，2012，41(6)：63-66.

[2] 呂拴錄,龍平，趙盈,等.339.7 mm偏梯形螺紋接頭套管密封性能和連接強度試驗研究[J].石油礦場機械，2011, 40( 5) : 25-29.

[3] 彭泉霖，何世明，郭元恒，等.螺紋公差帶對偏梯形螺紋密封性的影響分析[J]. 石油礦場機械，2014,43(9)：1-4.

[4] 國家質量技術監督局.GB/T 7307-2001 55°非密封管螺紋[S].2011.

[5] API.API SPEC 5B SPECIFICATION FOR THREADING,GAGING, AND THREADED INSPECTION OF CASING, TUBING, AND LINE PIPE THREADS.15th ed [S]. Washington D.C., 2004.

Analysis on the Design of API Buttress Thread Joint

MI Xiaojuan1, LV Shuanlu2

(1.UrumqiPetroleumStorageandTransportationMaterialsCompanyofPetroChinaXinjiangOilfieldCompany,Urumqi,Xinjiang830068,China;2.MaterialScienceandEngineeringDepartment,ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249,China)

Based on the analysis of thread profile design, basic parameters, thread tensile strength design, and so on for API buttress thread connection, the design principle of API buttress thread joint is further understood. Through analyzing the API buttress thread joint structure dimension, it is clarified the relationship among total thread lengthL4, imperfect thread lengthg, the major diameterD4, pitch diameterE7,and the outside diameter of pipe body.

buttress thread casing connection；thread profile；thread structure dimension；thread length; pitch diameter；major diameter

彌小娟，女，1973年生，工程師，1992畢業于大連大學工學院商品及養護專業，一直從事石油專用管材的檢驗工作。E-mail:13699998753@163.com

TE931

A

2096-0077(2016)04-0011-03

2015-12-13編輯：葛明君)