關(guān)于油套管特殊螺紋的研究與分析

黃繼慶，胡海波，苑承波

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

螺紋連接是油套管的主要連接方式，也是管柱最薄弱的環(huán)節(jié)，油套管約有80%的失效發(fā)生在螺紋連接部位。API標(biāo)準(zhǔn)的螺紋在保證井下管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性方面均存在不足，不能用在高壓、高腐蝕等嚴(yán)酷環(huán)境下的油氣井。而特殊螺紋具有較高的連接強(qiáng)度及抗變形能力，并具有良好的密封性能，可以應(yīng)用于嚴(yán)酷條件的油氣井。特殊螺紋設(shè)計(jì)的核心主要包括優(yōu)化密封面、扭矩臺(tái)肩和連接螺紋參數(shù)，降低應(yīng)力集中、保證密封性能、減少塑性變形，從而保證油套管的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性。

1 特殊螺紋接頭性能要求

1．1 良好的密封性能

油套管在井內(nèi)一般可以歸為三個(gè)軸方向的受力，主要包括管柱所受的拉力、外部擠壓力、內(nèi)部膨脹壓力以及三種應(yīng)力組合。要求特殊螺紋接頭不僅有較好的抗拉、抗壓性能，在交變載荷和高溫情況下具備較好的密封性能。

1．2 抗粘扣性能

特殊螺紋的螺紋和密封區(qū)的過盈量都采取較高的數(shù)值，在上卸扣過程中發(fā)生粘扣的概率較高。抗粘扣能力是考察特殊螺紋性能的重要指標(biāo)之一。

1．3 可加工性

因特殊螺紋具備較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其可加工性也是衡量特殊螺紋是否實(shí)用的重要指標(biāo)。主要體現(xiàn)在加工時(shí)間和加工成本方面。

2 特殊螺紋接頭密封面設(shè)計(jì)

2．1 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括密封結(jié)構(gòu)的選擇和密封過盈量的確定。密封結(jié)構(gòu)因接觸方式不同可分為兩類：線接觸結(jié)構(gòu)與面接觸結(jié)構(gòu)。在相同的極限密封壓力下，線接觸密封過盈量較高，面接觸略低。如果密封錐度很大，施加張力時(shí)，在密封區(qū)的密封壓力會(huì)顯著地減小；如果密封錐度太小，在裝拆期間會(huì)由于滑動(dòng)距離的增大而在密封面上發(fā)生擦傷。密封錐度應(yīng)大于螺紋錐度。密封接觸長度因結(jié)構(gòu)不同存在，常見的球面對(duì)錐面為代表的線接觸密封形式，其高壓面接觸長度約1.5mm，而以錐面對(duì)錐面為代表的面接觸密封形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，其接觸長度在2～7mm。特殊螺紋在設(shè)計(jì)過程中，宜選擇將密封面放在靠近螺紋的位置，相比靠近管端的位置，即使在現(xiàn)場操作期間管端受到磕碰，密封面也很難被破壞。

2．2 密封過盈量的設(shè)計(jì)

密封面的接觸壓力越高，接頭的氣密封性越好。接觸壓力的高低，來自于過盈量的大小。較小的過盈量，在受力情況下密封面易產(chǎn)生泄漏通道。而較大的過盈量會(huì)使螺紋變形，造成粘扣。過盈量的確定主要依據(jù)以下原則：（1）密封接觸壓力小于材料屈服強(qiáng)度；（2）密封接觸壓力大于管體內(nèi)屈服壓力；（3）密封面應(yīng)具有較大的平均接觸壓力和較低的峰值接觸壓力及接觸長度，上卸扣過程中不易粘扣。為了防止產(chǎn)生塑性變形，過盈量一般要小于材料的比例極限應(yīng)變量。最大過盈量的計(jì)算公式如下：△Smax=σp×OD

式中，σp為比例極限應(yīng)變量；OD為管子外徑。

而最小過盈量的確定，則要大于管體的內(nèi)屈服壓力，計(jì)算公式如下：△Smin=2d×dt2×P/E（dt

2-d2）

式中，d為嚙合處直徑；dt為接箍外徑；P為內(nèi)屈服壓力；E為彈性模量。

2．3 密封面精度

密封面表面粗糙度同樣會(huì)影響密封的實(shí)際使用性能。表面粗糙度越大，表面需施加的初始接觸應(yīng)力越高，表面粗糙度越小，表面需施加的初始接觸應(yīng)力越低。常見特殊螺紋接頭密封面粗糙度一般選取在0.8～3.2um。

3 特殊螺紋接頭扭矩臺(tái)肩設(shè)計(jì)

扭矩臺(tái)肩主要起到提高接頭抗粘扣和抗過扭功能。負(fù)角度的扭矩臺(tái)肩密封性能要優(yōu)于直角臺(tái)肩。但負(fù)角度過大會(huì)使母螺紋臺(tái)肩面剛度降低，加工困難。因此，一般負(fù)角度都控制在15°以內(nèi)。扭矩臺(tái)肩的設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮接箍中孔長度。如果中孔長度過短，兩個(gè)管螺紋的扭矩臺(tái)肩會(huì)對(duì)中孔產(chǎn)生相交的附加力，易造成中孔位置尺寸的變化。中孔長度Ld（如圖1所示）應(yīng)滿足以下關(guān)系：

Ld＞2Lp=2Ls×（sin15°+cos15°）。

式中，Ld為接箍中孔長度；Lp為扭矩臺(tái)肩影響區(qū)長度；Ls為扭矩臺(tái)肩厚度。

圖1 扭矩臺(tái)肩中孔

4 特殊螺紋接頭螺紋設(shè)計(jì)

4．1 螺紋配合方式設(shè)計(jì)

螺紋的配合方式主要有兩種，一種為承載面-導(dǎo)向面配合，一種為齒頂面-齒根面配合。承載面-導(dǎo)向面配合，僅在螺紋牙頂和牙底之間存在間隙，螺紋具有較高的抗壓縮載荷能力和連接強(qiáng)度。這種配合方式對(duì)加工精度的要求極高。齒頂面-齒根面配合，在承載面和導(dǎo)向面之間、齒頂和齒根之間均存在間隙。這需要控制牙側(cè)之間的間隙，以保證螺紋在受到壓縮載荷時(shí)，牙側(cè)彼此接觸。基于以API偏梯扣螺紋的特殊螺紋，牙側(cè)間距選擇在20～90μm時(shí)，可以具有較好的抗壓縮載荷能力。

4．2 螺紋承載面和導(dǎo)向面角度設(shè)計(jì)

螺紋接頭根據(jù)承載面和導(dǎo)向面角度的不同，主要分為四種，主要有雙正角度，導(dǎo)向面正角度、承載面負(fù)角度，導(dǎo)向面正角度，承載面直角和雙負(fù)角度。承載面角度的降低，可以有效地提高抗壓縮等性能。但是，負(fù)角度承載面也存在加工和表面處理困難等問題。較大的導(dǎo)向面角度有利于上扣，但導(dǎo)向面角度過大會(huì)降低接頭的抗壓縮性能。新日鐵的研究表面，當(dāng)齒形角半角的正切值小于接觸面系數(shù)時(shí)，接頭不會(huì)發(fā)生滑脫，計(jì)算方法如下：

tanθ≤μ

式中，θ為齒形半角；μ為接觸表面的摩擦系數(shù)。

4．3 螺紋錐度設(shè)計(jì)

在錐度設(shè)計(jì)方面，一些接頭采用API螺紋的錐度1：16，而另一些接頭錐度不同于API標(biāo)準(zhǔn)錐度。加大錐度可以提高接頭的對(duì)扣性能和改善接頭的應(yīng)力分布，受壁厚限制，較大錐度只適用于厚壁管。

4．4 螺紋嚙合長度的確定

在拉伸載荷作用下，螺紋會(huì)產(chǎn)生根部滑移和塑性脫扣滑移的傾向，主要失效形式是塑性脫扣滑移，以API偏梯螺紋為例，其根部滑移距離為2.50mm，塑性脫扣滑移距離為2.23mm（圖2所示）。

圖2 拉伸載荷下螺紋的滑脫傾向

若滿足螺紋的連接強(qiáng)度大于管體，計(jì)算公式如下：

n≥σt/τl

式中，n為嚙合螺紋齒數(shù)；τ為剪切屈服強(qiáng)度MPa；σ為屈服強(qiáng)度MPa；τ/σ≈2；l為塑性脫扣距離mm；t為管子壁厚mm。如外徑139.7mm鋼管，壁厚12.7mm,每英寸5牙，計(jì)算n≥2×12.7/2.23≈11.4，有效螺紋長度為58mm。

4．5 表面處理方式

特殊螺紋的上卸扣性能通常要求套管和油管分別能承受3次和10次重復(fù)上卸扣試驗(yàn)而無粘扣現(xiàn)象。一般對(duì)于碳鋼和Cr-Mo鋼，主要選用磷化處理，如果油套管應(yīng)用在高溫工況條件，需要進(jìn)行鍍銅處理。對(duì)于高合金材料，應(yīng)用噴砂和鍍銅相結(jié)合的方式進(jìn)行。

5 結(jié)語

特殊螺紋的設(shè)計(jì)既需要有較豐富的螺紋加工經(jīng)驗(yàn)，也需要具備有限元分析的能力。特殊螺紋的研制是一個(gè)復(fù)雜而又漫長的工作。就特殊螺紋的設(shè)計(jì)研究，在今后的工作中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：（1）密封面是特殊螺紋設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的部位，結(jié)構(gòu)形式、過盈量、接觸位置、粗糙度等參數(shù)都會(huì)對(duì)螺紋的氣密性產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)聯(lián)合考慮。（2）扭矩臺(tái)肩不僅起到密封作用，還能提高螺紋的抗粘扣性能和壓縮性能等。特別是在設(shè)計(jì)高抗壓縮性能的螺紋接頭時(shí)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)扭矩臺(tái)肩尺寸，提高接頭整體性能。（3）螺紋設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮螺紋的配合形式及單項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化，應(yīng)均與嚙合螺紋的應(yīng)力，降低螺紋粘扣的風(fēng)險(xiǎn)。