非API螺纹特点及检测相关性探讨

卫 栋，易晓明，丰振军

（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065） ＊

非API螺纹特点及检测相关性探讨

卫 栋，易晓明，丰振军

（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065）＊

分析了油套管特殊螺纹的密封结构、扭矩台肩和螺纹形状，探讨了特殊螺纹检测方法的特殊性，以及影响特殊螺纹油套管质量的关键因素，以期建立石油天然气行业特殊螺纹接头的检测方法及验收标准。

特殊螺纹接头；密封结构；扭矩台肩；螺纹形状

油套管特殊螺纹接头与常见的API螺纹接头相比，在使用性能方面有了很大程度的改善，可以满足特殊工况的要求［1］。

自1990年以来，我国开始逐步使用特殊螺纹油井管，而且用量越来越大。目前，我国自行开发的特殊螺纹接头尚不成熟，各油田使用的特殊螺纹油井管主要依靠进口，但特殊螺纹接头大都是国外各个生产厂家的专利产品，因涉及到专利权，长期以来，我国并没有制定统一的验收标准，而是由各个生产厂家自行制定检验项目和检验方法，给油田到货检验造成混淆和不便［2－3］。因此，有必要探讨特殊螺纹接头结构特点和检测分析方法，使油田用户对特殊螺纹接头有一个比较清楚的认识，从而把好质量关。

1 油井管特殊螺纹接头结构特点

目前，国内外已有30多家公司开发设计了110多种特殊螺纹油、套管接头，在结构设计上与API螺纹接头有明显区别，主要表现在密封结构、扭矩台肩、螺纹形状3个方面。油井管特殊螺纹接头结构如图1所示。

图1 油井管特殊螺纹接头结构

1.1 密封结构

相对于API螺纹接头，特殊螺纹接头不单依靠螺纹的过盈配合及螺纹脂来起到密封作用，而是增加主密封结构达到特殊螺纹接头的多重密封［4－6］。

主密封结构分为弹性密封环结构和金属－金属密封结构2大类。弹性密封环结构较为简单，可封隔介质进入内部，但在高温和高腐蚀性介质中，其寿命有限，只作为辅助密封或封隔介质用。金属－金属密封结构是由光滑的金属表面弹性过盈配合而实现密封，使接头气密封抗力达到管体极限内屈服压力。

密封结构主要包括：

1） 端面密封结构 按端面在接头螺纹的位置与轴线的取向分为内端面、外端面、中间端面、内外端面复合结构以及直角端面、斜端面结构等。

2） 径向密封结构 包括内径向、外径向密封结构。

3） 复合多重密封结构 由径向密封结构（内或外）与端面密封结构（1个或多个）组合。目前油田使用的特殊螺纹接头主要为复合多重密封结构。

密封结构的形式是接头密封的关键，从形式上可分为锥面－锥面密封（NSCC、VAMTM、NEW VAM等）、球面－锥面密封（NKK3SB等）、球面－曲面密封（FOX等）3种，如图2所示。

从密封面高压面接触方式来讲，可分为线接触（NKK3SB等）、面接触（NSCC等）2种。

图2 特殊螺纹接头密封结构及扭矩台肩

1.2 扭矩台肩

由于API螺纹接头上扣位置及扭矩范围较宽，容易造成使用性能下降。特殊螺纹接头针对这一点设计了扭矩台肩，主要起扭矩控制作用，使特殊螺纹接头在耐粘接性、抗压缩变形方面得到加强；扭矩台肩的另一个作用是控制螺纹和密封干涉量，确保主密封的过盈量在顺利实现的同时，还起到保护主密封的作用。如图2所示。

扭矩台肩按结构可分为：内、外台肩；直角、斜台肩；复合台肩（主、副台肩）；台阶形插销台肩。

1.3 螺纹形状

为增强特殊螺纹接头本身的连接强度，特殊螺纹接头的螺纹通常设计为偏梯形螺纹或形状类似钩形、楔形的螺纹。采用“全退刀”加工技术，适当减小螺纹螺距和齿高，API BTC接头螺纹锥度1／16（in／in）或选用比1／16（in／in）大的锥度，以使螺纹应力分布更合理。

特殊螺纹接头的螺距分为不变螺距和变螺距2种结构。特殊螺纹接头变螺距结构为外螺纹螺距不改变，接箍内螺纹为变螺距。内螺纹螺距分为3段：中间段与外螺纹螺距相同；靠密封面一侧螺距比中间段螺距小；靠接箍端面一侧螺距比中间段螺距大。通过变螺距，可以克服接箍内螺纹端外胀、外螺纹端收缩的倾向，改变了咬合螺纹的应力分布，从而提高接头的连接强度和抗滑脱能力。以特殊螺纹“FOX”扣型为例，其结构如图3所示。

特殊螺纹承载面角度对接头滑脱有一定的影响，在设计上需与牙型高度、螺距、锥度、不完整螺纹长度（L4）等参数整体考虑，但承载面角度对接头抗拉强度影响不大。这点可由下式说明，即

式中，θ为承载面角度；μ为接触表面的摩擦因数。

当承载面角度的正切值小于接触面的摩擦因数时，接头不会发生滑脱。表1为特殊螺纹套管接头螺纹形状比较。

图3 特殊螺纹接头“FOX”变螺距结构

表1 特殊螺纹套管接头螺纹形状比较

2 油井管特殊螺纹接头检测

2.1 油井管特殊螺纹接头检测用量具

从特殊螺纹的结构特点不难看出，其在设计生产上较为复杂，API接头检测使用的量规无论是从精度上还是检测性能上，都无法满足其特殊检测的需要。因此，各特殊螺纹生产厂家设计了许多检测特殊螺纹单项参数的特殊量具，以期对螺纹质量进行有效控制。

检测量具主要分为板型量规和表式量规2大类。板型量规的特点是测量时较为直观，因其分别标出了螺纹形状和结构的大小极限尺寸，即板型量规已将螺纹所允许的公差带直接标注在量规表面，检测时只需将板型量规与螺纹被检处直接进行比对，即可判断其是否合格，检测速度大幅度加快，而且不易磨损，如图4所示。表式量规以间接测量法或相对测量法检测中径、密封面直径、螺距、齿高、锥度等螺纹单项参数，如图5所示。

图4 板型量规

图5 密封面直径量规

需指出的是，由于紧密距测量用来体现螺纹咬合情况存在一定局限性，而且在检测较大管径紧密距时所匹配的量规质量较大，容易在旋合过程中造成螺纹部分的损伤，降低了测量的可操作性，例如管径＞∅244.5mm（9英寸）时就容易出现此种情况。紧密距测量尤其不适合于13Cr等特殊材料制成的接头，因此在特殊螺纹接头检测中，传统的螺纹量规紧密距测量已基本被螺纹中径的测量所取代。国外很多公司对此技术进行了开发，最具代表性的为美国GAGEMAKE公司研制生产的MRP量规，如图6所示。

图6 美国GAGEMAKE公司生产的MRP量规

MRP量规配合螺纹单项参数的测量，能够较客观地反映螺纹中径对连接性能的影响，测量重复性较好，同时避免了螺纹量规的系统误差和传递误差，使测量精度提高。

2.2 油井管特殊螺纹接头检测项目及验收标准

在特殊螺纹接头检测过程中，检测项目相对于API螺纹接头相应增加。不同种类的特殊螺纹由于设计思路的差别，检测项目和检测方法均有所不同，但从油井管特殊螺纹接头结构特点不难看出，其检测项目还是密封结构、扭矩台肩、螺纹形状这3个最为重要的结构部分。

2.2.1 外观检查

重点检查螺纹区域和密封轮廓区域，不得有震颤及有刀痕、刻痕的螺纹出现。带有严重螺纹损伤的接头应报废，轻微的损伤可修整，密封轮廓区域如有贯穿整个密封面的点腐蚀、机械刻痕、凹陷、变形，都会造成泄漏，应报废。

特殊螺纹表面都经过镀层处理，在现场经常会发现连续数牙螺纹镀层脱落，此现象易造成接头上扣时的粘连，应报废。

在特殊螺纹完整螺纹长度内不允许有黑皮扣的出现，检测中发现黑皮扣处的齿高、中径易超差。

2.2.2 单项参数检测

2.2.2.1 螺纹中径

对于特殊螺纹，螺纹的咬合是靠牙顶、牙底及承载面的接触来实现的，螺纹中径的定义为大小径的平均值，MRP量规实际上是测量特殊螺纹的外螺纹的大径和内螺纹的小径，需要配合牙型高度的测量才可计算出外螺纹的小径、内螺纹的大径的偏差值。某特殊螺纹牙型高度偏差与中径偏差的对应关系如表2。

表2 某特殊螺纹牙型高度偏差与中径偏差的对应关系

由表2可知，不同的牙型高度偏差对应不同的中径偏差范围，螺纹中径的偏差受牙型高度的限制，牙型高度变小，螺纹中径也随之变小。

MRP量规在测量特殊螺纹中径时，要先确定作用中径的位置（生产厂家一般会提供相关数据），要将MRP量规测头中心点位置与作用中径位置相切，也就是直接测量作用中径的大小。但检测中存在1个问题：由于运输及现场装卸过程中，管子易发生碰撞产生变形，尤其是管端变形，但测量作用中径的位置离管端较远，管端变形后，作用中径处可能并未变形，在检测中，作用中径合格，而管端变形则被忽视，因此管端的外观检查尤其重要。可将管子滚动1周，目视检查有无变形，如有可疑处，可调整MRP量规接杆，检测该处螺纹中径有无超差。例如，塔里木油田进口某特殊螺纹接头油井管，用此方法就发现数十根管端变形的管子，均按报废处理，并获得赔偿。

检测中，还需考虑镀层厚度、镀层不均匀问题。通常，镀层会使外螺纹外径增大，内螺纹内径减小。

2.2.2.2 密封结构

基于特殊螺纹密封结构的特点，在检测过程中，特殊螺纹的主密封、副密封相关尺寸是必检项目，包括密封面的外观、密封直径、密封锥度、密封面长度等。密封直径用类似MRP量规检测，通常取密封面任意垂直2个方向检测值的算术平均值为最终检测结果。但由于密封面本身就容易出现椭圆度的问题，因此按平均值来判断密封直径是否合格并不科学，而按密封面任意方向检测值均符合密封直径公差来判断是否合格才应该是可取的。

2.2.2.3 扭矩台肩

考虑到扭矩台肩不但起到保护主密封的作用，而且可提高接头抗压缩、抗过扭矩的能力，在检测中，首先要确定扭矩台肩的形式，采用扭矩台肩位置量规检测端面至扭矩台肩的长度。对于扭矩台肩的主台肩和辅助台肩厚度、高度必要时也应该检测。

2.2.2.4 螺纹形状

特殊螺纹的牙型高度、螺距、锥度属于常规检测项目，检测方法与API BTC螺纹检测方法完全相同（可参照美国石油学会标准——套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范API SPEC 5B，2008年第15版）。其中要注意的是：特殊螺纹的牙型高度、螺距、锥度等单项参数相对于API BTC螺纹，其公差带方面均做了改动。有些特殊螺纹的内、外螺纹牙型高度有差别，需用不同的牙型高度定位块来调整零位，而在螺距、锥度检测中，都分别增加了累积螺距、累积锥度的检测。特殊螺纹的轮廓可用形状通过规粗略检测，形状通过规完全嵌入特殊螺纹牙形内为合格，部分嵌入则为不合格。

2.2.2.5 其他几何尺寸

需检测外螺纹的完整螺纹长度、镗孔内径，内螺纹的接箍长度、外径等相关几何尺寸。

3 油井管特殊螺纹量值溯源

量值溯源是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使检测结果或检测标准的值能够与规定的参考标准联系起来的一种特性。它要求针对自己检测标准的相关量值，主动地与上一级检定机构取得联系，追溯高于自己准确度（一般遵循1／10或1／3法则）的量值与之比较，确定检测的准确性。

特殊螺纹检测用量规由于涉及到专利，基本依赖于国外各生产厂家，导致特殊螺纹量值溯源自成体系，处于混乱，甚至于失控的状况。无法保证生产厂家提供的专用量规是否经过相关部门检测合格、是否在合格有效期内、是否进行了上一级的量值溯源等，这一系列问题缺乏必要的公正性和监督机制，导致油田用户无从知晓，对厂方提供的专用量规只能被动接受。这些问题的存在无疑将影响到现场检测的正常进行以及检测数据的准确性、公正性，存在严重的安全生产隐患。因此，为确保特殊螺纹量规量值的准确性，应能够溯源到国家基准。在使用前，建议由相关部门对量规先进行校准，经确认符合要求后，再交付油田使用。中国石油集团石油管工程技术研究院特殊螺纹量值溯源体系框图如图7所示。

图7 中国石油集团石油管工程技术研究院特殊螺纹量值溯源体系框图

4 结论

1） 从油井管特殊螺纹接头结构特点不难看出，密封结构、扭矩台肩、螺纹形状这3个最为重要的结构部分是油井管特殊螺纹接头检测中的重点。

2） 油井管特殊螺纹接头检测应使用相应的特殊量具，主要分为板型量规和表式量规2大类。

3） 用户在验收油井管特殊螺纹接头时，其检测项目应包括外观检查、螺纹单项参数、几何尺寸等方面

4） 特殊螺纹检测用量规由于涉及到专利，基本依赖于国外各生产厂家自行提供，导致特殊螺纹量值溯源自成体系。为确保特殊螺纹量规量值准确性，在使用前建议由相关部门对量规先进行校准，经确认符合要求后，再交付油田使用。

5） 建议建立国家统一的特殊螺纹量值溯源体系。

［1］ API Spec 5B，套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范［S］.14版.1996.

［2］ 吕拴录，张福祥.塔里木油气田非API油井管使用情况分析［J］.石油矿场机械，2009，38（7）：70－74.

［3］ 刘卫东，吕拴录，韩 勇，等.特殊螺纹接头油套管验收关键项目及影响因素［J］.石油矿场机械，2009，38（12）：23－26.

［4］ 申昭熙，李 磊，王 鹏.特殊螺纹接头主要参数对密封性能的影响分析［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：38－41.

［5］ 王新虎，申昭熙，王建东，等.特殊螺纹油管与套管的上扣扭矩构成与密封性能研究［J］.石油矿场机械，2010，39（12）：45－50.

［6］ 张 林，罗 增，林元华.双台肩螺纹接头参数与应力应变关系研究［J］.石油矿场机械，2010，39（4）：21－23.

Structures Characterize and Measure Method of Premium Connection

WEI Dong，YI Xiao－ming，FENG Zhen－jun
（Tubular Goods Research Institute，CNPC，Xi’an710065，China）

The thesis established a series of testing methods and acceptance criteria of special oil and gas industry，oil well pipe thread，through non－API OCTG thread structure of the special characteristics of three areas：sealing structure，torque shoulder，thread shape.It also organized the importance of the critical size which affected the quality of special thread oil casing with the particularity of thread detection API methods.

special thread connetion；sealing structure；torque shoulder；thread shape

1001－3482（2012）03－0013－06

TE931.2

B

2011－09－07

卫 栋（1974－），男，江苏宜兴人，工程师，主要从事油井管产品研发及质量控制等工作，E－mail：weidong001＠cnpc.com.cn。