管螺紋密封機(jī)理探討分析

劉翠潔，閆家振

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

0 引 言

管螺紋是用于管與接頭、管箍、閥件、泵、缸等連接的基本手段。石油鉆采設(shè)備現(xiàn)已是高度自動(dòng)化、智能化的機(jī)電一體化設(shè)備，大量使用著液壓、氣控、潤(rùn)滑及冷卻回路，因此管螺紋在石油裝備上得到了廣泛的應(yīng)用。相比于緊固連接螺紋，管螺紋的種類(lèi)繁多，管螺紋代號(hào)也比較混亂，不同國(guó)家、不同時(shí)期的代號(hào)也各不相同。

目前，關(guān)于管螺紋的介紹與綜述類(lèi)文獻(xiàn)較多，也有研究管螺紋加工與檢測(cè)技術(shù)的，但關(guān)于管螺紋的密封機(jī)理，及其在石油鉆臺(tái)設(shè)備領(lǐng)域的的螺紋設(shè)計(jì)選用及不同形式螺紋間的關(guān)系與互換性的研究一直未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道[1-6]。筆者根據(jù)新設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)及設(shè)備維修改造中管螺紋的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)管螺紋的起源將管螺紋劃分為英制管螺紋與美制管螺紋兩大類(lèi)管螺紋，并研究分析了相似螺紋間的互換使用問(wèn)題。

1 英制管螺紋與美制管螺紋

從來(lái)源上講，目前世界上在使用的螺紋主要有兩大類(lèi)[7-8]，英制管螺紋和美制管螺紋。前者來(lái)自惠氏螺紋，后者來(lái)自美國(guó)國(guó)家螺紋標(biāo)準(zhǔn)。兩者均為英寸制螺紋。區(qū)分英制管螺紋和美制管螺紋的最簡(jiǎn)單方式是牙型角：英制管螺紋牙型角是55°；美制管螺紋牙型角是60°。

為了在國(guó)際市場(chǎng)上推廣管螺紋標(biāo)準(zhǔn)，兩類(lèi)管螺紋均進(jìn)行了米制化，即將英寸尺寸乘以25.4轉(zhuǎn)化為毫米尺寸，因此并不是“真正的米制管螺紋”。所以在讀這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可以不必刻意關(guān)注英制米制之分，本質(zhì)上是同一種螺紋。

在ISO管螺紋標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前，世界范圍內(nèi)的管螺紋代號(hào)比較混亂，中國(guó)、比利時(shí)、日本、韓國(guó)等都有各國(guó)自己的螺紋代號(hào)，比如中國(guó)舊制密封錐管螺紋的代號(hào)為“ZG”，美制一般密封圓錐管螺紋為“Z”。因此，在遇到老圖紙資料時(shí)需要單獨(dú)查詢?cè)搰?guó)的舊標(biāo)準(zhǔn)，才能正確的讀懂這些螺紋型式。

1.1 英制管螺紋的標(biāo)準(zhǔn)及代號(hào)

英制管螺紋，牙型角是55°管螺紋。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為圓柱管螺紋和圓錐管螺紋，根據(jù)功能和使用方式分為密封管螺紋和非密封管螺紋。ISO標(biāo)準(zhǔn)基本采用了英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，共兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別規(guī)定了密封管螺紋和非密封管螺紋。

我國(guó)的55°管螺紋標(biāo)準(zhǔn)是ISO標(biāo)準(zhǔn)的等效標(biāo)準(zhǔn)[9～13]，ISO、GB的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容和對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 英制管螺紋ISO、GB標(biāo)準(zhǔn)及型式匯總表

1.2 美制管螺紋的標(biāo)準(zhǔn)及代號(hào)

美制管螺紋，牙型角是60°管螺紋，同樣有圓柱螺紋和圓錐螺紋兩種結(jié)構(gòu)型式。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的管螺紋標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè)，分別規(guī)定了一般用途管螺紋和干密封管螺紋的技術(shù)條件。

表2中的ASME B1.20.1、ASME B1.20.2M兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)內(nèi)容完全一致，區(qū)別就是ASME B1.20.2M技術(shù)要求中的所有尺寸為毫米單位尺寸，如B2.20.1中牙數(shù)規(guī)定為“每英寸牙數(shù)”、B1.20.2M中則規(guī)定為“每25.4 mm牙數(shù)”。

表2 美制管螺紋ISO、GB標(biāo)準(zhǔn)及型式匯總表[14-18]

國(guó)標(biāo)在管螺紋采標(biāo)時(shí)，英制管螺紋幾乎是完全等效采用ISO標(biāo)準(zhǔn)，美制管螺紋(GB/T 12716)僅采用了NPT、NPSC這兩種螺紋。ASME B1.20.1中規(guī)定的NPSH系列螺紋共5種螺紋型式，其中NPSC與NPT的關(guān)系與55°密封管螺紋中的圓柱內(nèi)螺紋和圓錐內(nèi)/外螺紋的使用情況類(lèi)似；僅看NPSL的螺紋形式，忽略其鎖緊螺母結(jié)構(gòu)，其在美制管螺紋中的作用相近于英制管螺紋的非密封管螺紋(G螺紋)；NPTR、NPSM、NPSL是美制管螺紋獨(dú)有的管螺紋形式，沒(méi)有明確的密封要求，使用范圍窄，在專(zhuān)業(yè)廠家的樣本中也鮮見(jiàn)其存在。

此外，德國(guó)制定過(guò)牙型角60°的“真正的米制管螺紋”標(biāo)準(zhǔn)(DIN 158-1)[19]，因其螺紋設(shè)計(jì)牙型、錐度等均與美制管螺紋理念相同，因此筆者認(rèn)為可把它看做一種特殊的美制管螺紋。DIN 158-1規(guī)定的螺紋形式同樣有圓柱內(nèi)螺紋、圓錐內(nèi)螺紋、圓錐外螺紋。其規(guī)格和緊固螺紋(M)非常相似，如M8×1keg，是標(biāo)準(zhǔn)的米制尺寸規(guī)格。我國(guó)也在DIN 158-1標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了GB 1415。但是這種螺紋在國(guó)內(nèi)、乃至國(guó)際上，都沒(méi)有被廣泛接受，目前為止，筆者未在油氣鉆采設(shè)備的已有設(shè)計(jì)中遇到過(guò)這類(lèi)螺紋的應(yīng)用實(shí)例。

2 管螺紋在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的使用

目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，兩類(lèi)管螺紋應(yīng)用都很廣泛，但標(biāo)準(zhǔn)選用尚無(wú)明確規(guī)定，多是按照行業(yè)慣例或各企業(yè)的使用慣例在使用，比如氣缸接口，一般是選擇R螺紋(55°)，液缸接口，則是G螺紋(55°)使用較多，液壓系統(tǒng)的接頭、閥件等配件，NPT管螺紋應(yīng)用最廣。

石油鉆采設(shè)備中，英制管螺紋一般只用于潤(rùn)滑系統(tǒng)或氣控系統(tǒng)等對(duì)密封要求不是特別高的場(chǎng)合。而且，多數(shù)廠家選擇自制此類(lèi)管件和接頭，而非采購(gòu)成品。相較于氣動(dòng)配件，液壓配件的產(chǎn)品規(guī)格種類(lèi)很齊全，且均已形成批量產(chǎn)銷(xiāo)市場(chǎng)。因此，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)或其他較高壓場(chǎng)合，基本都是采購(gòu)專(zhuān)業(yè)廠家的配件，極少自制。

3 管螺紋密封機(jī)理及牙型設(shè)計(jì)探討

3.1 連接螺紋沒(méi)有密封性

以最常用的米制連接螺紋M螺紋(GB/T196)[20]為例，M螺紋全部為柱螺紋。內(nèi)螺紋牙頂、外螺紋牙底削平1/4H(H為設(shè)計(jì)牙型牙高)，內(nèi)螺紋牙底、外螺紋牙頂則削去1/8H。根據(jù)GB/T 197[21]，螺紋最緊密連接的配合是H/h，因此，加工合格的內(nèi)外螺紋旋合時(shí)始終有一個(gè)小間隙，能夠順暢的旋轉(zhuǎn)直至垂直于軸向的連接面接觸，這個(gè)間隙形成的環(huán)形空間，導(dǎo)致普通連接螺紋沒(méi)有密封性。

3.2 英制密封管螺紋特性分析

要僅靠螺紋本身形成密封螺紋副，至少有一件螺紋需是錐螺紋，保證最少有一環(huán)能夠形成閉環(huán)。考慮到制造工藝，一般選外螺紋為錐螺紋。因此，密封螺紋副有兩種有效的配合形式：圓柱內(nèi)螺紋/圓錐外螺紋、圓錐內(nèi)螺紋/圓錐外螺紋。

圖1 英制密封管螺紋的牙型

在管螺紋連接過(guò)程中，當(dāng)?shù)谝画h(huán)牙型接觸上后，理想情況下，內(nèi)外螺紋的基準(zhǔn)平面重合。加工有管螺紋的零件經(jīng)常是管子、閥門(mén)、接頭等零件，一般都為塑性材料。在基準(zhǔn)平面重合后，使用扳手或其他工具可以繼續(xù)旋合，旋合過(guò)程中牙型發(fā)生變形，直至牙頂、牙底、牙側(cè)都能夠緊密貼合，牙型停止變形，形成封閉空間，實(shí)現(xiàn)密封功能。

ISO 7-1、GB/T 7306.2對(duì)圓錐管螺紋的公差的規(guī)定，都是基準(zhǔn)平面的軸向位移。這和管螺紋的密封過(guò)程是一致的。對(duì)柱/錐連接而言，圓錐外螺紋總有一個(gè)直徑是能夠和圓柱螺紋的直徑一致的，區(qū)別只是這個(gè)直徑的位置與理論基準(zhǔn)平面的偏差。對(duì)錐/錐連接來(lái)說(shuō)也是同樣的道理。這樣也為螺紋檢驗(yàn)提供了方便，因?yàn)闇y(cè)量螺紋要素是一件很復(fù)雜的事，實(shí)用的做法是用螺紋規(guī)做綜合測(cè)量，檢測(cè)螺紋規(guī)的端面是否落在螺紋端面的公差帶內(nèi)(±T1/2或±T2/2)即可。

圓柱內(nèi)螺紋的直徑尺寸直接影響旋合完成后的具體尺寸，ISO 7-1及GB 7306.1對(duì)圓柱內(nèi)螺紋的公差要求都有直徑偏差要求。GB 7306.1比ISO 7-1多一項(xiàng)軸向圈數(shù)的偏差規(guī)定，這個(gè)偏差數(shù)據(jù)和與之配對(duì)的圓錐外螺紋的錐度與螺距換算過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)一致，所以可認(rèn)為是同一要求。

3.3 美制密封管螺紋特性分析

美制管螺紋錐度也為1：16，但牙型角是60°，牙頂和底都削平。

美制管螺紋只定義了參考平面(見(jiàn)圖2)，沒(méi)有用基準(zhǔn)平面的概念，代之以手旋合平面。手動(dòng)旋合后，理想情況下，手旋合平面重合。使用工具繼續(xù)擰緊，螺紋間產(chǎn)生過(guò)盈變形，實(shí)現(xiàn)密封，密封機(jī)理與英制管螺紋一致。螺紋的檢測(cè)同樣是靠螺紋規(guī)測(cè)量端面的位移。

美制管螺紋對(duì)螺紋的基本尺寸的規(guī)定思路與英制管螺紋不同。ASME B1.20.1對(duì)NPT基本尺寸的規(guī)定見(jiàn)圖2所示。

圖2 NPT螺紋基本尺寸及平面示意圖

NPT螺紋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)平面稱(chēng)為參考平面Reference plane(亦稱(chēng)零點(diǎn)zero)，參考平面為外螺紋的管端，且明確將內(nèi)螺紋的管端定義為手旋合平面Plane of hand-tight engagement。內(nèi)螺紋基本尺寸的定義，同樣定在了參考平面處的的尺寸。

NPT螺紋對(duì)直徑尺寸的規(guī)定是外螺紋始端處中徑和管小端基本小徑。至于為什么分別規(guī)定的是中徑和小徑，筆者推測(cè)，主要是基于以下原因：內(nèi)螺紋在加工螺紋前，是要首先制孔的，為保證內(nèi)螺紋的小徑是通過(guò)加工成形的，無(wú)論預(yù)制孔是直孔還是錐孔，均不能大于螺紋小徑，因此對(duì)基本尺寸的規(guī)定是小徑，便于加工工藝參數(shù)的選取和確定。外螺紋基本是在管子上加工螺紋，因此就沒(méi)有這方面的顧慮。此外，ASME B1.20.1對(duì)配合螺紋設(shè)計(jì)公差的要求是，牙頂和牙底可以是有間隙、相接觸、相互干擾三種狀態(tài)，且對(duì)螺紋的削平高度只規(guī)定了最小和最大尺寸，只要求牙頂和牙底平面應(yīng)平行于中徑線或螺紋軸線，這樣只規(guī)定中徑，設(shè)計(jì)者可以據(jù)此對(duì)大徑和小徑做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。

1.符號(hào)性。如前所言，導(dǎo)視系統(tǒng)有著引導(dǎo)、指示等功能，需要讓來(lái)者，尤其是第一次到來(lái)的人直觀省時(shí)地找到自己的目的地。因此設(shè)計(jì)高校導(dǎo)視系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意視覺(jué)元素的簡(jiǎn)潔性，在此基礎(chǔ)上概括出圖形、符號(hào)。歸根到底，高校導(dǎo)視系統(tǒng)中占主導(dǎo)的還是這些圖形與符號(hào)及與之配合出現(xiàn)的文字。

3.4 非密封管螺紋及密封螺紋副的配合形式

ISO標(biāo)準(zhǔn)中的英制管螺紋(55°)包含密封管螺紋R螺紋和非密封管螺紋G螺紋，兩種螺紋的設(shè)計(jì)牙型是完全一致的。G螺紋的內(nèi)外螺紋都是圓柱螺紋，其內(nèi)螺紋的下偏差(EI)為零，外螺紋的上偏差(es)為零。因此，G螺紋與G螺紋組成的螺紋副，其密封性與普通連接螺紋M螺紋一樣，都存在一個(gè)環(huán)形空間，不具有密封性。

3.5 填料的使用及干密封管螺紋

從理論上來(lái)講，密封管螺紋可以不需要密封件，緊靠螺紋間的旋合實(shí)現(xiàn)密封。

實(shí)際上，只有ASME B1.20.3規(guī)定的干密封管螺紋是不需任何其他介質(zhì)，僅依靠螺紋自身就能完成密封功能的。干密封管螺紋是在ASME B1.20.1螺紋基礎(chǔ)上，進(jìn)行螺紋型式修改，提高精度要求等方式設(shè)計(jì)而來(lái)，并對(duì)生產(chǎn)方法和連接件的彈塑性等方面提出了更高的要求。這種螺紋顯然是無(wú)法大批量用于所有管路連接的。

除了干密封管螺紋外，其他管螺紋在管路連接中，均需使用填料、密封膠或密封件來(lái)保證密封效果，這是非常經(jīng)濟(jì)有效的做法。

4 柱/錐螺紋副中的密封管螺紋Rp與非密封管螺紋G互換性討論

ISO 228-1中提到，“在必要的情況下，G內(nèi)螺紋與Rp(圓柱內(nèi)螺紋)可以與R螺紋進(jìn)行連接。(備注：該連接不需實(shí)現(xiàn)密封)”而GB/T 7307-2001的前言中，則特別提到，“我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不推薦用密封管螺紋與非密封管螺紋組成密封螺紋副(G/R)或非密封螺紋副(Rp/G)。”

關(guān)于G內(nèi)螺紋與R1螺紋的連接是否能夠達(dá)到密封效果，文中繼續(xù)進(jìn)行探討。

密封螺紋副Rp/R1的配合關(guān)系：螺紋加工的一個(gè)主要特點(diǎn)是，加工方式都依托于成形刀具或設(shè)備，也就是說(shuō)，有相應(yīng)精度的刀具或設(shè)備，才能夠加工出相應(yīng)精度等級(jí)的螺紋來(lái)。因此，這里認(rèn)為，在加工過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)誤操作，質(zhì)量合格的螺紋，忽略刀具磨損造成的誤差，同一條螺紋的牙型基本是一致的。

如圖3所示，圓柱螺紋與圓錐螺紋配合，手旋合最小實(shí)體內(nèi)螺紋時(shí)牙型的停止位置位于圓柱螺紋的最外側(cè)牙，繼續(xù)擰緊，牙變形，消除牙型間隙，實(shí)現(xiàn)密封效果。

圖3 圓柱內(nèi)螺紋與圓錐外螺紋配合示意圖

Rp螺紋則是對(duì)稱(chēng)的極限偏差(|ES|=|EI|)。通過(guò)對(duì)比具體公差可知，G螺紋的偏差值全部不小于Rp螺紋直徑的偏差值，因此可知，G/R1與Rp/R1螺紋配合相比，G/R1的配合中R1螺紋旋入長(zhǎng)度更長(zhǎng)的概率更大，因旋緊余量不足造成安裝力矩不足的可能性更大，密封效果更加難以保證。

ISO 7-1中注明，其圓柱內(nèi)螺紋的直徑公差是根據(jù)圓錐內(nèi)螺紋基準(zhǔn)平面軸向位移極限偏差和螺距、錐度推導(dǎo)而來(lái)。GB/T 7306.1并未明確指出，但其數(shù)值一樣，因此其公差來(lái)源是一樣的。所以在計(jì)算旋入長(zhǎng)度誤差時(shí)，可直接利用軸向圈數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

下面具體以G3/8、Rp3/8和R13/8為例進(jìn)行計(jì)算分析：

如圖4所示，極限情況下，Rp/R1螺紋旋合后的最小裝配余量是：

圖4 Rp/R1螺紋副示意圖

如圖5所示，G/R1配合旋入深度誤差的簡(jiǎn)單計(jì)算如下：

圖5 G/R1螺紋副示意圖

(1) 若G牙頂與R1的牙底首先接觸，因公差造成需多旋入的深度為：

(ESG3/8-小徑-eiR1 3/8)/(1/16)

=(0.445+0.104)×16=8.784(mm)

換算成圈數(shù)為：8.784/(25.4/19)=6.57圈

再加上基準(zhǔn)距離的偏差，最深會(huì)多旋入7.57圈，大于R13/8螺紋的裝配余量2.75圈，不能保證密封效果。

(2) 根據(jù)G中徑公差進(jìn)行計(jì)算，因公差造成需多旋入的深度為：

(ESG3/8-中徑-eiR1 3/8)/(1/16)

=(0.125+0.104)×16=3.664(mm)

換算成圈數(shù)為：3.664/(25.4/19)=2.74圈

再加上基準(zhǔn)距離的偏差，最深會(huì)多旋入3.74圈，依舊大于R13/8螺紋的裝配余量2.75圈，不能保證密封效果。

上述計(jì)算包含較大誤差。G螺紋的公差規(guī)定的相對(duì)較簡(jiǎn)單，停止旋合時(shí)不一定是如計(jì)算中所示的G牙頂與R1的牙底接觸，而中徑公差又是平均中徑。此外，管螺紋連接施工時(shí)，基本都是配合填料使用的，合理使用生料帶等填料在一定程度上是能夠彌補(bǔ)牙型誤差造成的連接不緊密的情況。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，是不會(huì)出現(xiàn)上述計(jì)算中的情況的。但從其結(jié)果來(lái)看，還是可以看出，相比較于Rp/R1螺紋副，G/ R1螺紋副的確更易出現(xiàn)密封效果差的問(wèn)題，國(guó)標(biāo)的推薦做法還是比較正確的。

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)選用原則：在設(shè)計(jì)鉆井設(shè)備時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)客戶要求和設(shè)備使用國(guó)家及地區(qū)來(lái)選用所需執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

國(guó)內(nèi)鉆井設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，由于螺紋的加工特殊性，設(shè)計(jì)者應(yīng)避免選用不常用螺紋，建議按照下列方式選取：緊固類(lèi)螺紋優(yōu)先選擇米制螺紋而非英寸制螺紋；潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等對(duì)密封要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合，可根據(jù)各企業(yè)的常用方式選取R螺紋或NPT螺紋；液動(dòng)和氣動(dòng)設(shè)備根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常用的配件來(lái)選擇。

(2) 非密封管螺紋的使用：G螺紋加工簡(jiǎn)單，配合密封件的使用，可以實(shí)現(xiàn)很好的密封效果。G螺紋在液壓缸的油口、閥塊接口以及接頭中，應(yīng)用十分廣泛。但是使用時(shí)必須注意，即使是在對(duì)密封要求不高的場(chǎng)合，也要盡量避免G螺紋與Rp螺紋的混用，且需選配合適的密封件，才能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封效果。

(3) 管螺紋連接：由于管螺紋的使用工況、裝配水平和檢測(cè)技術(shù)等情況非常復(fù)雜，且各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性并不完全，如擰緊力矩，不論是ISO標(biāo)準(zhǔn)還是ASME標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有明確的規(guī)定。管螺紋的使用效果與各生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平關(guān)系非常大，這一現(xiàn)象在液壓行業(yè)尤其明顯，知名廠家的配件和設(shè)備確實(shí)有更好的使用效果。因此，在設(shè)計(jì)工況復(fù)雜、要求嚴(yán)格的管路系統(tǒng)時(shí)，還是要尋求專(zhuān)業(yè)廠家合作。