油管特殊螺紋齒形設計技術分析

王 雷，胡海波，左 斌

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

油管通過端部螺紋進行連接成長管柱，下入油井石油套管中用于輸送油氣到地面或者注入介質，是石油開采中必不可少的裝備。隨著油氣開采范圍的擴大，油氣井工況愈加苛刻，深井、超深井、水平井、富含腐蝕介質油氣井比例逐年提高，對油管的性能提出了更高的要求。其中，螺紋接頭是油管的薄弱環節，常規的API 標準接頭在密封性和強度上已經難以滿足惡劣工況使用要求。特殊螺紋相比API 螺紋，具有更好的密封性能、連接強度和抗粘結性能，抗腐蝕性能也優于API 螺紋，目前已經廣泛應用于國內油氣田中，受到越來越多的油田用戶和油套管生產廠家的重視，并投入大量的精力進行特殊螺紋設計開發工作。

現階段特殊螺紋設計技術重點關注密封區的密封性能和應力分布，而特殊螺紋多采用API 偏梯螺紋或改良型螺紋，齒形對螺紋接頭性能的影響還有待于進一步深入研究。本文對螺紋齒形進行有限元分析，對比了不同參數齒形的性能，并根據分析結果優選齒形參數，為油管特殊螺紋結構設計提供參考。

1 油管特殊螺紋結構概述

特殊螺紋的結構可以劃分為螺紋區、密封區和扭矩臺肩區3 個部分。螺紋區一般不需要承擔密封功能，主要起到連接作用。密封區是在特殊螺紋中的獨立結構部位，一般通過金屬—金屬的過盈配合，使得特殊螺紋具有可靠的密封性能和較強的抗內壓強度。扭矩臺肩一般設置在管端位置，它吸收了大部分扭矩，從而使螺紋部分承載的扭矩降低，應力分布更加合理，降低了粘扣風險。特殊螺紋的設計開發要求特殊螺紋具有較高的連接強度、較好的密封性能、較低的應力和低粘扣風險。特別對于油管特殊螺紋接頭，一些試驗標準（API 5C5—2017）規定油管上卸扣試驗次數為9次，要求螺紋具有較好的抗粘扣性能。除表面處理，如磷化和鍍銅等方式降低粘扣風險外，在設計上螺紋應具有較低的應力。油管接頭在井內除受到內外壓之外，還會受到軸向方向的拉力或者壓縮力，并且會交替施加在螺紋接頭，降低接頭的性能，所以螺紋接頭也應有較強的抗交變載荷能力。

為了優化螺紋接頭應力分布，改善螺紋接頭的連接性能，探究螺紋齒形對特殊螺紋接頭性能的影響，本文對螺紋齒形的牙頂牙底方向、承載面角度、導向面角度、導向面間隙等參數進行對比分析，通過比較不同齒形下特殊螺紋的性能，達到對特殊螺紋接頭進行優化設計。本文研究的螺紋接頭其他區域參數為扭矩臺肩角度為-15°，密封面為錐面對錐面的金屬密封方式。

特殊螺紋的螺紋配合一般分為兩種類型：一種為齒頂—齒底配合，承載面之間有間隙，有助于螺紋脂的儲存和分布，粘扣風險低；另一種為承載面—導向面配合，連接強度和抗壓縮載荷能力更強，但有一定的粘扣風險。本文主要考慮的配合方式為較為常用的齒頂—齒底配合（圖1）。

圖1 齒頂—齒底配合螺紋齒形示意

2 齒形參數分析

2.1 齒頂和齒底方向

特殊螺紋齒頂和齒底方向主要有兩種，一種螺紋齒頂和齒底平行于管體軸線，另一種螺紋齒頂和齒底平行于螺紋錐線（圖2）。

圖2 螺紋齒頂和齒底的方向示意

一般認為，齒頂和齒底平行于螺紋錐線的螺紋便于引扣，而齒頂和齒底平行于管體軸線的螺紋上扣時能夠自動糾正裝配偏心現象，避免錯扣發生。但對于這兩種齒形對于螺紋應力影響的研究較少。通過有限元分析，在其他參數相同的情況下，通過對齒頂和齒底平行于管體軸線和齒頂和齒底平行于螺紋錐線的螺紋分別進行有限元分析，對比接頭的整體應力分布情況。

從分析結果可以看出，在模擬螺紋上緊的情況下，齒頂和齒底平行于軸線的螺紋應力明顯低于齒頂和齒底平行于錐線的螺紋。對于齒頂和齒底平行于錐線的螺紋，其中首扣位置螺紋齒的應力高于材料的屈服強度，說明高應力區的螺紋齒已經發生了屈服現象，且齒頂和齒底平行于螺紋錐線的螺紋接頭應力分布較齒頂和齒底平行于軸線的螺紋不均，所以齒頂和齒底平行于錐線的螺紋相比齒頂和齒底平行于軸線的螺紋粘扣風險更高。所以在油管特殊螺紋設計時，行業中通常油管螺紋的齒頂和齒底的方向設計為平行于管子軸線，以降低粘扣風險（圖3）。

圖3 螺紋齒應力分布情況

2.2 承載面角度研究

螺紋承載面是螺紋的主要受載荷部位，與螺紋連接性能關系較大。不同角度的承載面，螺紋的連接強度和應力不同，常見的承載面在3°～-6°。選取螺紋承載角度為3°、0°、-3°、-4°、-5°、-6°，利用有限元軟件分析接頭的應力狀態、抗拉伸和壓縮性能、密封性能。通過有限元分析結果可以看出，在上扣狀態下，不同承載面角度的應力不同（圖4）。承載面負角度越大，接頭應力越高，臺肩應力越高，螺紋首個完整扣應力越高。

圖4 承載面角度和接頭應力與等效塑性應變

在螺紋受到軸向交變載荷力作用下，不同承載面角度的螺紋，其等效塑性變形量也有所不同。一般認為，等效塑性應變值大于0 表明材料發生了屈服，而且隨著分析步的增多，等效塑性應變值累計增大。不考慮內外壓作用，模擬油管在井內受到的軸向力。在有限元分析軟件中，對螺紋接頭施加95%管體屈服強度拉力作用后，再施加95%管體屈服強度壓縮力作用，觀察螺紋的等效塑性應變。從圖4 可以看出，正角度的等效塑性應變大于負角度，負角度越大，等效塑性應變越大。綜合考慮以上因素，螺紋承載面角度-3°最佳。

2.3 導向面角度研究

螺紋導向面和螺紋的上卸扣性能及抗壓縮性能相關。導向面角度越大，越有利于螺紋上扣，但過大的導向面會影響螺紋接頭的抗壓縮性能。目前常見螺紋的導向面角度在10°～45°，為此，設置導向面角度為10°、15°、25°、30°、35°和45°，利用有限元軟件分析螺紋的抗壓縮性能。

在95%管體屈服強度壓縮載荷作用下，隨著導向面角度的增大，臺肩的軸向力值逐漸升高。導向面角度大于25°時，臺肩軸向力增加幅度呈現增大趨勢。導向面45°時，臺肩軸向力最大。同時，臺肩部位的等效塑性應變值也在增大，其中10°時的等效塑性應變值最低，45°時的等效塑性應變值最高。圖5 分別展示了導向角為25°、35°和45°的螺紋臺肩在壓縮工況下的應力分布情況。從圖5 可以看出，齒形角越大，臺肩部位的應力越大，塑性變形的概率越大。綜合考慮以上因素，導向面角度選擇范圍應在10°～25°，螺紋抗壓縮性能最佳。

圖5 不同導向角的臺肩部位應力分布

2.4 導向面間隙研究

螺紋導向面間隙主要起到儲存螺紋脂、降低螺紋粘扣風險的作用。選取螺紋導向面間隙為0.02 mm、0.04 mm、0.06 mm、0.08 mm、0.10 mm 進行分析，先施加95%管體屈服強度軸向拉力，再施加95%管體屈服強度軸向壓縮力，模擬油井內螺紋接頭受到的拉伸和壓縮。通過有限元分析可以看出，螺紋導向面間隙越大，螺紋接頭的等效塑性應變值越高。這是因為螺紋受到軸向方向交變載荷力的作用發生軸向移動，在螺紋齒部位發生一定塑性變形，螺紋間隙越大，等效塑性應變值就越大，容易發生塑性變形。所以反復受到不同方向軸向力的加載和卸載作用，容易導致螺紋損壞。螺紋間隙應根據齒高、承載角和倒角的不同，綜合考慮設計取值范圍，原則上不宜過大。

3 結論和建議

（1）螺紋部分是油管特殊螺紋接頭設計的關鍵要素，特別是油管要求具有較好的抗粘扣性和連接強度，其中螺紋的齒形對螺紋接頭的連接性和使用性至關重要。螺紋齒形設計合理才能降低螺紋粘扣風險，提高接頭連接強度。

（2）螺紋齒形的齒頂和齒底方向、承載面角度、導向面角度和導向面間隙對螺紋的使用性和應力分布都有直接影響。在螺紋設計時，首先應考慮螺紋接頭具有較低的應力，并在受到交變載荷作用下、不同方向力加載和卸載的情況下，能夠避免發生較大或區域性的塑性變形，從而防止接頭失效。

（3）本文使用有限元分析技術，對螺紋的頂和齒底方向、承載面角度、導向面角度等參數進行分析。結果表明，齒頂和齒底平行于軸線方向、承載面角度為-3°、導向面角度10°～25°時，接頭的應力和抗軸向載荷力能力最佳。