一種適用于鈦合金油管氣密封螺紋接頭的開發*

何石磊， 周新義， 汪 強，苑清英， 任 勇， 李周波， 李遠征

（1. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞721008；2. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008）

隨著油氣田的開發逐漸向縱深發展， 深井、超深井的高壓井的出現致使勘探開發難度逐漸增大， 其面臨的一系列完井問題的核心是完井管柱的材質選擇[1-5]。 由于高溫高壓井和超高壓高溫井一般有苛刻的井底溫度、 壓力及含CO2、 H2S 和Cl-等復雜腐蝕工況條件， 迫切需要使用高強度的耐蝕石油管材。 其中鈦合金油管具有高比強度和優異的抗腐蝕性能， 成為當前高壓高溫井、 超高壓高溫井選材和腐蝕控制的熱點之一[2,6-8]。 據統計，油管失效事故約64%發生在螺紋聯接部位， 因此油管接頭成為影響油管性能的關鍵部位。 隨著深井、 超深井及高溫高壓油氣井的廣泛開發， 常規API 螺紋扣型已經不能滿足苛刻工況要求， 需要氣密封性能優異的特殊螺紋接頭[9-13]。 雖然國內外相繼開發了多種優異的氣密封螺紋接頭， 并且已應用于碳鋼或鎳基合金等管材， 但鈦合金具有易粘扣、 彈性模量低、 拉伸應變大等材料屬性， 現有碳鋼或鎳基合金等管材的氣密封螺紋不適用于鈦合金材料[1-3,5]。 因此， 針對鈦合金的材料特點， 需要開發適用于鈦合金材質的氣密封螺紋接頭。

1 研究方法

特殊螺紋接頭包括螺紋、 密封和扭矩臺肩三部分， 主要解決結構完整性和密封完整性問題，并使其性能達到等管體性能， 如拉伸效率100%、 壓縮效率80%、 內壓效率100%及外壓效率100%等。 針對鈦合金的材料屬性， 本研究從三個方面開展研究， 開發一種適用于鈦合金石油管材的新型氣密封螺紋接頭。

（1） 特殊螺紋設計。 結合鈦合金油管的材料屬性， 對比分析現用碳鋼或鎳基合金等油井管的氣密封螺紋接頭的牙型結構、 牙型尺寸、 密封面結構、 扭矩臺肩尺寸等關鍵參數， 并根據螺紋接頭的設計指標， 確定鈦合金油管的螺紋接頭結構及參數。

（2） 有限元模擬分析。 采用有限元法， 模擬分析極限試樣在復合載荷下不同受力狀態的應力分布， 從而優化螺紋結構設計， 并驗證設計的螺紋接頭的合理性。

（3） 實物性能評價試驗。 依據ISO 13679：2002 或API 5C5： 2017 標準， 制備鈦合金油管螺紋接頭試驗評價所需極限試樣； 然后采用復合加載試驗設備， 通過施加不同軸向應力、 內外壓力、 溫度等載荷來驗證螺紋接頭是否具有良好的結構和密封完整性。

2 特殊螺紋設計

2.1 螺紋牙型設計

用于高溫、 高壓、 高腐蝕環境下的鈦合金油管螺紋接頭， 需要可靠的氣密封性能、 較高的連接強度以及良好的抗螺紋黏結性能。 偏梯形螺紋具有很高的連接強度， 目前市場上特殊螺紋接頭均采用偏梯形螺紋連接。 該螺紋接頭采用了負角度的偏梯形螺紋設計， 其結構如圖1 所示， 可提高接頭在拉伸載荷和彎曲載荷時的連接性能和抗彎曲能力。 采用內外螺紋不同的齒高參數和合理的齒側間隙設計， 可助于消除螺紋脂堆積造成螺紋發生黏結的可能性， 并提高接頭的抗壓縮能力。

圖1 特殊螺紋結構示意圖

2.2 密封面結構設計

當前普遍采用的密封形式主要有錐面/錐面、球面/錐面、 球面/柱面等， 其密封機理是通過接頭密封面上過盈配合發生金屬彈性變形， 使接觸面上產生一定的接觸長度和接觸壓力， 從而阻止氣體通過密封面溢出而實現氣密封。 而密封面的設計原則是在不同載荷工況下密封面都有一定的接觸壓力以確保密封效果。 因鈦合金管材與鎳基合金等材料屬性差異較大， 其密封面的錐度和過盈量的合理配合是設計的關鍵。 通過大量的有限元計算和實物評價試驗， 設計的螺紋接頭采用1∶6～1∶12 錐面/錐面密封 （如圖1 所示）， 過盈量30～80 μm， 從而保證鈦合金油管特殊螺紋最佳的密封面角度和合理的密封過盈量， 保證接頭在復合載荷下具有最佳的密封面接觸長度和密封面接觸壓力， 從而擁有優異的密封能力。

2.3 扭矩臺肩結構設計

臺肩的常見結構形式為負角度臺肩/直角臺肩。 設計鈦合金接頭內螺紋采用-8°～-20°的負角度臺肩 （如圖1 所示）。 負角度扭矩臺肩不僅能提供準確的上扣定位， 防止錐形密封面因過擰導致過盈超預期， 而且合理的扭矩臺肩高度受到過扭矩時能確保結構完整性， 對密封面有支撐作用， 并提供輔助氣密封能力。

3 有限元結構模擬分析

為了驗證設計的合理性， 根據螺紋結構尺寸及過盈量， 對設計的油管特殊螺紋接頭進行不同載荷下的有限元分析計算和設計評估， 為后續的試驗和安全使用提供科學論據。 根據螺紋接頭的特點， 采用通用Abaqus 有限元軟件， 建立軸對稱有限元模型。 模擬的鈦合金油管主要參數見表1， 材料的應力-應變曲線如圖2 所示。 依據API 5C5： 2017 標準， 采用鈦合金油管極限公差最低密封過盈試樣進行CAL IV 級A 系列室溫下受力分析， 分析載荷點如表2 和圖3 所示。 由圖3 可見， 載荷值均位于90%管體VME 曲線上。

表1 螺紋接頭有限元模擬的主要參數

圖2 鈦合金油管應力-應變曲線

表2 有限元模擬工況的分析步載荷

圖3 有限元模擬A 系載荷包絡線

鈦合金油管的螺紋接頭在典型復合載荷下的等效應力分布如圖4 所示。 其中， 圖4 （a）為在上扣后的VME 等效應力圖， 密封和臺肩位置的等效應力較高， 但是低于鈦合金的實際屈服強度， 而螺紋部分的等效應力相對較低。圖4 （b） 為90%拉伸+90%內壓復合載荷下螺紋接頭VME 等效應力圖， 外螺紋端不完整螺紋和內螺紋接近密封部分的退刀區附近等效應力較高， 接近材料的屈服強度。 圖4 （c） 為CEYP+90%內壓復合載荷下螺紋接頭VME 等效應力分布圖， 密封面位置和內螺紋接近密封部分的退刀區附近等效應力較高， 但低于材料的屈服強度。 隨著軸向拉應力+內壓轉向軸向壓應力+外壓， 臺肩處及螺紋導向面等效應力較高， 如圖4 （d） 所示， 說明在接頭受壓縮載荷時， 螺紋牙型和齒側間隙的設計使導向面起到了抵抗壓縮載荷的作用。 隨著壓縮載荷的降低， 外螺紋臺肩承載壓縮載荷比例增加， 而內螺紋僅端面等效應力較高， 如圖4 （e） 所示。隨著軸向載荷從壓應力轉換成拉應力， 等效應力較高的位置出現于密封面位置和外螺紋不完整螺紋處, 如圖4 （f） 所示。

圖4 室溫復合載荷下油管螺紋接頭的等效應力分布圖

特殊螺紋接頭的密封性能常用密封面的密封指數進行評估[13-16]。 采用文獻[15] 中評價金屬/金屬密封性能評價指數Sa對設計的螺紋接頭密封性能進行評估。 基于無螺紋脂模型， 金屬/金屬密封性能評價指數Sa定義為

式中： Sa——密封指數， mm·MPa1/4；

P——密封面接觸壓力， MPa；

L——密封面有效長度， mm。

同時， 考慮高溫高壓油管及標準中極限泄露速度為0.9 cm3/15 min 時， 金屬/金屬臨界密封指數Sac定義為

式中： Pgas——氣體壓力， MPa；

Patm——大氣壓力， MPa。

從公式 （1） 可以看出， 該密封指數與密封面接觸壓力和接觸長度有關。 鈦合金油管接頭在典型載荷下沿密封面長度方向上接觸壓力分布及變化情況如圖5 所示。 基于模擬最高VME 內壓值， 由公式 （1） 和公式 （2） 分別計算典型載荷步下載荷點上密封面的密封指數和密封臨界指數， 計算結果如圖6 所示。

圖5 在典型載荷下密封面密封壓力分布

圖6 在每個載荷點下密封指數

從圖5 和圖6 可以看出， 在內壓載荷下， 軸向載荷從拉應力轉化為壓應力時密封壓力和密封指數逐步增加。 當由內壓轉化為外壓時， 軸向載荷從拉應力轉化為壓應力時密封壓力和密封指數逐步降低。 在67%拉伸+100%外壓載荷下密封指數達到最小值， 但仍高于密封臨界指數， 表明設計的鈦合金油管螺紋接頭具有較高的密封可靠性。

4 實物性能評價試驗

為驗證設計開發的特殊螺紋接頭連接強度和密封完整性， 結合ISO 13679： 2002 和API 5C5：2017 標準對110 ksi 鋼級Φ88.90 mm×7.34 mm 鈦合金特殊螺紋油管進行了全尺寸實物性能試驗。試驗用試樣共4 根， 都需要進行上卸扣試驗、彎曲條件下拉伸/壓縮和內壓試驗、 拉伸和內壓條件下熱循環試驗、 高溫下復合載荷試驗和極限載荷試驗。

4.1 上卸扣試驗

對設計開發的螺紋接頭進行上卸扣試驗， 以驗證其抗粘扣性能。 接箍內螺紋表面進行微弧氧化表面處理， 螺紋脂采用Bestolife2000， 具體上卸扣參數見表3。 試驗后上扣扭矩曲線符合設計要求， 內外螺紋表面均完好， 如圖7 所示。

表3 上卸扣試驗參數

4.2 彎曲條件下拉伸/壓縮和內壓試驗

在試驗前， 先采用陶瓷加熱帶加熱試樣接頭， 烘干溫度≥180 ℃， 烘干時間≥12 h。 試驗載荷位于材料名義屈服強度的90%VME 包絡線上。 試驗溫度為室溫， 加壓介質為干燥氮氣， 泄漏檢測裝置使用氣泡瓶檢漏系統， 用應變法測量彎曲度， 狗腿度為20°/30 m。 試驗未發生泄漏，試驗加載點數據見表4。

表4 試驗載荷加載數據

4.3 拉伸和內壓條件下熱循環試驗

拉伸和內壓條件下熱循環試驗加載點數據見表5。 試驗中內壓介質為干燥氮氣， 泄漏檢測裝置為氣泡瓶檢漏系統。 采用感應加熱接箍和附近管體， 溫度檢測由熱電偶完成， 在常溫和高溫下分別有5 個內壓-拉伸循環， 試驗未發生泄漏。

表5 拉伸和內壓條件下試驗加載點

4.4 高溫下復合載荷試驗

為了驗證高溫下接頭密封完整性， 對特殊螺紋接頭進行高溫、 高壓及軸向力作用復合載荷試驗。 試驗溫度為180 °C， 高溫下試驗載荷點見表6， 試驗未發生泄漏。

表6 180 °C 高溫下復合載荷試驗載荷點

4.5 極限載荷試驗

為了驗證螺紋接頭結構和密封的極限性能，依據API 5C5 標準采用4 個試樣進行極限載荷試驗， 試驗結果見表7， 失效后典型試樣形貌如圖8 所示。 試驗結果表明， 試樣的抗內壓強度、 接頭連接性能均超過該鋼級/規格油管使用性能保證值的要求。 復合載荷下的極限強度，如拉伸下抗內壓強度、 高內壓下的抗拉強度、內壓下的抗壓縮強度等， 均超過按名義屈服強度計算的承載包絡線。

表7 螺紋接頭極限載荷試驗結果

圖8 螺紋接頭高內壓拉伸至失效實物照片

5 結 論

（1） 采用負角度承載面和不同內外螺紋齒高參數的牙型、 合理的錐面/錐面密封面角度和密封過盈量配合、 接箍內螺紋的負角度扭矩臺肩設計的高性能油管螺紋接頭， 具有良好的抗螺紋粘扣性能、 優異的室溫和高溫復合載荷條件下氣密封性能、 較高的抗彎曲能力以及較高的抗壓縮能力。

（2） 通過有限元分析方法和實物評價試驗，一致驗證了高性能油管螺紋接頭的密封可靠性。