油管高抗扭矩螺紋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(江蘇常寶鋼管股份有限公司　江蘇　常州　213018)

0　引　言

近年來(lái)隨著企業(yè)對(duì)油管需求的提高，對(duì)油管的質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。油管加工過(guò)程包括通徑、螺紋加工、接箍預(yù)上扣、接箍上扣、水壓測(cè)試和涂油等工序[1]。其中，接箍上扣工序是一個(gè)非常重要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。目前，接箍上扣工序的質(zhì)量控制要求按美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API 5C1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，以上扣的扭矩是否達(dá)到要求扭矩作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，另外對(duì)油管管體外螺紋的上扣深度J值，有一個(gè)相對(duì)寬松的公差帶要求，為12.7 mm，如圖1所示，其中的上扣位置為參考值，管體兩頭上扣后中間有空隙存在，管體端面不接觸。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于內(nèi)外螺紋的尺寸配合各不相同，以及使用不同的上扣螺紋脂，故接箍上扣后的J值變化范圍也較大，誤差在10 mm之間。

圖1　接箍和外螺紋連接后的位置示意圖

目前在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行上扣的操作過(guò)程中，由于受各油田上扣設(shè)備能力以及操作員工技能水平的限制，螺紋在上扣的過(guò)程中往往沒有扭矩量化的依據(jù)，而是僅憑操作人員的經(jīng)驗(yàn)和肉眼觀察來(lái)判斷上扣是否到位，極易造成螺紋上扣過(guò)量導(dǎo)致螺紋損傷或者螺紋上扣松緊程度不到位[2,3]。另外，常規(guī)API油管產(chǎn)品在接箍?jī)啥诉B接管子后，接箍中間會(huì)留有一段空檔間隙，此間隙在油井抽油的過(guò)程中會(huì)對(duì)管體內(nèi)的流體造成渦流現(xiàn)象，會(huì)對(duì)流體壓力產(chǎn)生損失，渦流也會(huì)對(duì)接箍空擋間隙產(chǎn)生沖刷作業(yè)，影響了油管柱的使用壽命。

1　高抗扭矩螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)API油管的結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)油管的螺紋結(jié)構(gòu)作了以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

1)以API扣型為基礎(chǔ)，在接箍中間部位放置一個(gè)扭矩環(huán)(MLT Ring)，增加此扭矩環(huán)的作用是在接箍?jī)啥松峡弁瓿珊螅嗽瑼PI接箍中間的空隙，使管體與管體之間可以平滑過(guò)渡，從而可以增加管體的密封性能，也可使管體在抽油的過(guò)程中避免流體產(chǎn)生的渦流對(duì)接箍空擋間隙的沖刷，提高管體使用壽命，降低成本。另外可提高管柱的抗彎曲性能，如圖2所示。

但是在使用扭矩環(huán)的條件下，也存在一些缺點(diǎn)：

(1)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于上扣J值的變化范圍較大，所以需要同時(shí)準(zhǔn)備不同尺寸的扭矩環(huán)，操作繁瑣。

(2)生產(chǎn)成本較高。在使用扭矩環(huán)的條件下，生產(chǎn)成本平均需要增加約300 美元/噸(折合人民幣約2 000元/噸)。

圖2　扭矩環(huán)連接結(jié)構(gòu)示意圖

2)以API扣型為基礎(chǔ)，在上扣的過(guò)程中使工廠端螺紋端面與現(xiàn)場(chǎng)端螺紋端面接觸對(duì)頂，解決上述問(wèn)題，如圖3所示。

但是在此改進(jìn)方法，也存在一些缺點(diǎn)：

(1)在按照以扭矩為控制方式來(lái)進(jìn)行接箍上扣自動(dòng)操作的情況下，由于內(nèi)外螺紋配合尺寸不可能保持一致，以及所使用的上扣螺紋脂的不同，上扣結(jié)束后的J值公差帶無(wú)法保證在一定范圍之內(nèi)，如1 mm之內(nèi)。

(2)采用人工手動(dòng)操作的方法，操作員工也無(wú)法保證一次操作到位，需要不斷的測(cè)量J值變化進(jìn)行修正，勞動(dòng)強(qiáng)度大，一旦出現(xiàn)上扣過(guò)扭矩失誤，需要對(duì)接箍進(jìn)行倒扣，容易造成螺紋損傷，會(huì)對(duì)螺紋連接強(qiáng)度造成極大影響。

(3)生產(chǎn)效率降低。以扭矩為控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)班產(chǎn)產(chǎn)量可以達(dá)到700 支，而以位置(J值)為控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人工操作班產(chǎn)只能達(dá)到400 支左右，效率降低了42.86%。

圖3常規(guī)對(duì)頂扣連接示意圖

3)針對(duì)上述情況，對(duì)現(xiàn)有的螺紋連接形式進(jìn)行了改進(jìn)，使其在上扣的過(guò)程中能固定螺紋上扣深度J值，并提高螺紋的抗扭矩性能，使其原螺紋承受的扭矩變?yōu)槁菁y承受的扭矩和扭矩臺(tái)階承受的扭矩兩部分，避免螺紋上扣過(guò)扭矩造成螺紋損傷的隱患，同時(shí)在接箍?jī)啥松峡酆螅嗽瑼PI油管接箍中間的空擋間隙，提高了油管柱的密封性能，避免了流體在管柱產(chǎn)生渦流對(duì)接箍沖刷的現(xiàn)象，減少了流體壓力在管柱內(nèi)的損失程度，提高了油管柱的使用壽命。

對(duì)比API油管產(chǎn)品的改進(jìn)情況如圖4和圖5所示。

圖4　API螺紋連接結(jié)構(gòu)形式

圖5　改進(jìn)后的螺紋連接方式(高抗扭矩連接結(jié)構(gòu)形式)

圖5中A,B為油管外螺紋，C為高抗扭矩接箍，D為臺(tái)階退刀槽，在上扣的過(guò)程中多余的螺紋脂可以擠到槽內(nèi)，F(xiàn)為扭矩臺(tái)階。

通過(guò)上述螺紋連接形式的改進(jìn)，高抗扭矩螺紋連接形式具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)提高了管體螺紋抗高扭矩性能，油管在反復(fù)使用的條件下不易發(fā)生螺紋損傷的現(xiàn)象。

(2)管體上扣后消除了原API接箍中間的空隙，使管體與管體之間平滑過(guò)渡，避免了在抽油過(guò)程中流體產(chǎn)生的渦流對(duì)接箍中間空擋的沖刷，降低了流體在管體中流動(dòng)時(shí)的壓力損失，提高油管柱的使用壽命。

(3)增加的扭矩臺(tái)階面，可以提高油管柱的密封性能。

(4)通過(guò)上扣對(duì)比，此螺紋連接形式可承受的扭矩是API油管螺紋連接形式的1.5～1.8倍。

(5)加工效率較API螺紋沒有損失，保證了較高的工作效率。

4)高抗扭矩上卸扣試驗(yàn)

以88.9 mm×6.45 mm規(guī)格加厚J55鋼級(jí)油管進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，第一至第六次上卸扣試驗(yàn)扭矩設(shè)置為4 120 Nm,第七至第十次的上卸扣扭矩設(shè)置為5 150 Nm,而API標(biāo)準(zhǔn)扭矩為3 090 Nm,經(jīng)過(guò)上訴扭矩十次上卸扣后，螺紋沒有產(chǎn)生任何損傷，上扣曲線如圖6和圖7所示，卸扣后的外螺紋形貌如圖8所示，卸扣后的接箍臺(tái)階面形貌如圖9所示。

圖6　第六次上扣扭矩

圖7　第十次上扣扭矩

圖8　卸扣后外螺紋形貌

圖9　卸扣后的接箍臺(tái)階面形貌

2　結(jié)　論

1)通過(guò)對(duì)原有API油管螺紋連接形式的改進(jìn)，提高了螺紋接頭的抗扭矩性能，使其接頭可以承受1.5～1.8倍的扭矩。

2)油管接箍的扭矩臺(tái)階可以有效的防止油田現(xiàn)場(chǎng)的上扣過(guò)扭矩的問(wèn)題，避免螺紋粘扣的現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而有效避免了現(xiàn)場(chǎng)的操作風(fēng)險(xiǎn)，降低油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)成本。

[1] 艾裕豐，吳健，衛(wèi)尊義，等. API油管和套管螺紋加工與檢驗(yàn)討論[J]. 焊管，2013，36(5)：45-49.

[2] 呂栓錄，康延軍，孫德庫(kù)，等. 偏梯形套管緊密距檢驗(yàn)粘扣原因分析及上卸扣試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008,37(10)：82-85.

[3] 吉玲康. 影響圓螺紋油套管粘扣因素的試驗(yàn)研究[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005，(4)：14-17.