螺纹公差带对偏梯形螺纹密封性的影响分析

彭泉霖，何世明，郭元恒，段 玲

（1.西南石油大学石油工程学院，成都 610500；2.中石化石油工程技术服务有限公司，北京 100101；3.西南油气田分公司低效油气开发事业部，成都 610017）①

螺纹公差带对偏梯形螺纹密封性的影响分析

彭泉霖1，何世明1，郭元恒2，段 玲3

（1.西南石油大学石油工程学院，成都 610500；2.中石化石油工程技术服务有限公司，北京 100101；3.西南油气田分公司低效油气开发事业部，成都 610017）①

API套管偏梯形螺纹由于公差带的影响，使螺纹牙之间存在间隙，形成螺旋状的空间间隙带，并受到螺纹牙高公差带、牙型角公差带、锥度公差带和牙顶、牙底弧半径公差带的影响。依据公差带产生的最大间隙，分析了4个公差带对螺纹密封性的影响大小。计算结果表明：牙高公差带影响最大，牙顶、牙底弧半径公差带影响次之，牙型角公差带影响最小，锥度公差带的影响受现场上扣情况的控制。提出了合理地改善密封性的措施，有助于优化偏梯形螺纹设计和加工控制，为现场检查判断偏梯形螺纹的适用性提供了依据。

偏梯形螺纹套管；密封性能；螺纹连接

石油套管作为油气运移的通道，为了保证安全顺利地生产作业，首先要确保其螺纹连接的密封性。特别是高、中压天然气井，对套管螺纹的密封性能要求更加严格，对要进行高压压裂和老井侧钻的井也同样需要保证套管螺纹的密封性能［1］。

由于API偏梯形螺纹其公差带的影响，使得内、外螺纹之间存在1条螺旋状空间的间隙带，使套管内外空间连通从而发生泄漏，其间隙大小受螺纹公差带的控制。除了内外螺纹牙顶、牙底的间隙外，其密封性能还受到内外螺纹牙型角、锥度和螺纹牙顶、牙底弧半径公差带的影响。

本文详细讨论了API偏梯形螺纹套管4个公差带对密封性的影响及防止泄漏的措施。

1 偏梯形螺纹公差带引起的间隙

1.1 牙高公差带引起的间隙

API Spec 5B—2008［2］规定的套管偏梯形螺纹牙型和尺寸如图1所示。

图1 偏梯形螺纹牙型和尺寸

根据API Spec 5B—2008规定，套管偏梯形螺纹牙高的公差带为1.5748×10-3m±2.54×10-5m，因为偏梯形螺纹牙顶和牙底都平行于螺纹轴线，所以可求得牙顶与牙底之间的间隙高度可达到的最大值Δ犺＝5.08×10-5m。因此，在1个螺距范围内，由牙高的公差带引起的最大泄流面积为

1.2 牙型角公差带引起的间隙

根据API Spec 5B—2008规定，偏梯形螺纹内、外牙型角的公差带为±1°。偏梯形螺纹导向面和承载面牙型角都取最大偏差时，导向面和承载面牙型角公差带引起的间隙如图2所示。H1、H2分别为螺纹导向面和承载面处螺纹牙牙高。

由图2可以计算出，偏梯形螺纹导向面和承载面因内、外牙型角极限偏差所引起的牙侧最大间隙分别为

因此在1个螺距范围内，由牙型角公差带引起的最大泄流面积为

该间隙面积要小于牙高公差带引起的间隙面积，后者约为前者的3.15倍。

图2 导向面和承载面牙型角公差带引起的间隙

1.3 锥度公差带引起的间隙

根据API Spec 5B—2008规定，偏梯形螺纹套管极限偏差按在高为12单位长度、底面直径0.75单位长度的直圆锥时，其底面直径极限偏差为0.75＋0.042-0.018来确定，即圆锥套管偏梯形螺纹锥度K＝0.75＋0.042-0.018／12，所以Kmax＝0.066，Kmin＝0.061。锥度公差带引起的最大间隙如图3所示。

图3 锥度公差带引起的最大间隙

由图3可以计算出，由锥度公差带引起的最大单侧间隙为

对于ø177.8 mm套管，螺纹全长L4＝0.106 68 m，则

则直径方向上最大间隙为

由锥度公差带引起的间隙，主要表现形式是扩大了内、外螺纹牙顶和牙底之间的间隙。并且在螺纹连接大端口处影响最大，极限情况下会使该处螺纹牙顶与牙底之间的间隙达到5.334×10-4m；在小端口处影响最小，几乎为0，理论上在小端口处具有一定的密封性。在实际使用过程中，由锥度公差带引起的间隙的危害远不如其他公差带引起的间隙的危害大，因为可以通过紧扣后所留余扣的多少加以调节，以达到减小间隙的效果［4］。

1.4 牙顶和牙底弧半径公差带引起的间隙

根据API Spec 5B—2008规定，在偏梯形螺纹导向面上外螺纹牙顶上取弧半径最大正偏差＋0.002°，而内螺纹上取最大负偏差-0.002°，得到在该处由弧半径公差带引起的间隙，如图4所示。

图4 外螺纹导向面齿顶圆弧与内螺纹承载面齿底圆弧间最大间隙

由图4，通过计算可以得到此处间隙面积最大值为

式中：R3为外螺纹导向面牙底最小弧半径；R4为内螺纹导向面牙顶最大弧半径。

则在导向面上由公差带所引起的间隙面积最大值为

同理可得，偏梯形螺纹承载面上由弧半径公差带引起的间隙面积最大值为

式中：R1为外螺纹导向面牙顶最小弧半径；R2为内螺纹导向面牙底最大弧半径。

同理可得，在偏梯形外螺纹导向面底部由弧半径公差带引起的间隙面积最大值为

式中：R5为外螺纹承载面牙顶最大弧半径；R6为内螺纹承载面牙底最小弧半径。

因此，在1个螺距范围内由偏梯形螺纹牙顶和牙底弧半径公差带引起的间隙面积最大值为由牙顶、牙底弧半径公差带产生的是2条螺旋状的空间间隙带，该间隙带的法向截面积略小于由牙高公差带引起间隙带的法向截面积。

2 提高偏梯形螺纹密封性的措施

在使用API偏梯形螺纹套管时，由于螺纹加工公差带的存在，使得螺纹连接时在牙底和牙顶之间必然存在着内外相通的螺旋状的空间间隙带，严重影响了API偏梯形螺纹的密封性。为了提高API偏梯形螺纹的密封性，可以采取以下措施：

1） 优化螺纹公差带。

偏梯形螺纹间隙产生的直接原因是受其加工公差的影响，该影响从2个方面体现出来：①提供了油气泄漏的通道；②影响螺纹配合过盈量，从而影响了内外螺纹之间的接触压力。因此，通过优化螺纹公差带，可以达到减小螺纹之间间隙和增加接触压力的目的，从而提高偏梯形螺纹的密封性能。

2） 使用性能优越的螺纹脂。

螺纹脂在实际应用过程中起着十分重要的作用，不仅可以提高螺纹连接处的润滑性，防止螺纹粘结的发生，更重要的是可以用来提高螺纹密封性。但是由于API螺纹脂属于油基质螺纹脂，其最大的缺点是在长期服役过程中或高温下，会逐渐挥发或变质，从而使得螺纹密封性能下降。因此，为了使偏梯形螺纹在恶劣地质条件下也可以长期保持较好的密封性，应选择性能优越的螺纹脂。

3） 提高螺纹表面处理的镀层厚度。

为了防止螺纹锈蚀及粘扣的发生，通常对螺纹表面进行镀层处理。该工艺能提高螺纹的密封性能，提高的程度取决于镀层的厚度，一般认为镀层厚度超过60μm，对螺纹的密封性能具有较明显的提高，但如果厚度低于20μm，螺纹泄漏的可能性会较大［5］。

4） 增加密封环。

在APISpec 5CT［6］补充条件SR13中提出带密封槽的接箍，其可以大幅减少流体的泄漏通道。选择合适的密封槽的配合量和弹性密封环，避免配合过松或过紧，从而达到保证螺纹密封性的目的。

5） 严格控制上扣操作。

螺纹配合的接触力能否达到最合适，最佳过盈量能否实现，主要取决于上扣操作，尤其是当螺纹处于配合过松状态时，将会严重降低螺纹的密封性［7］。为了保证螺纹连接的可靠性，必须合理控制转矩和位置。

3 结论

1） 由于加工公差的存在，偏梯形螺纹连接必然会存在内外相通的螺旋状的空间间隙带。因此，为保证偏梯形螺纹连接的密封性，在实际使用过程中必须采取合理的措施以提高密封性能。

2） 锥度与其他3个螺纹参数对螺纹密封性的影响方式不同。前者不仅与其公差带有关，还更多地受到实际使用过程中上扣操作的影响。

3） 从公差带产生的最大间隙面积的角度来讲，除锥度公差带外的其余3个公差带对螺纹密封性的影响，以牙高公差带的影响最大；牙顶、牙底弧半径公差带对密封性的影响次之，但与牙高公差带的影响差距不大；牙型角公差带所造成的影响最小。

4） 根据API Spec 5B—2008关于偏梯形螺纹牙型及尺寸的标准，牙型高度的公差是1.5748× 10-3m±2.54×10-5m，而实际制造出来的螺纹的牙型高度由于正、负偏差的影响，会导致在某些螺纹牙配合处可能出现过盈配合，而在别的螺纹配合处出现间隙，而其他公差带在螺纹牙配合中只会导致间隙的产生。这就使得虽然从最大间隙面积的角度来讲，牙高公差带的危害性稍大于牙顶、牙底弧半径公差带，但是在实际使用过程中前者对密封性的危害要小于后者。

［1］ 樊秀江.国内API套管接头螺纹密封性的研究现状与展望［J］.辽宁化工，2010，39（10）：1105-1107.

［2］ API Spec 5B—2008，Specification for Threading，Gaging，and Threaded Inspection of Casing，Tubing and Line pipe Treads［S］.

［3］ 史交齐，林凯，解学东，等.提高API螺纹油管和套管密封性的措施［J］石油机械，2002，30（3）：47-49.

［4］ 吕栓录，杨成新，文志明，等.244.5 mm套管偏梯形螺纹接头L4长度公差分析及控制［J］.石油矿场机械，2012，41（6）：63-66.

［5］ 练章华，杨龙，韩建增，等.套管偏梯形螺纹接头泄漏机理的有限元分析［J］.石油矿场机械，2004，33（5）：53-57.

［6］ APISpec 5CT—2011.Specification for Casing and Tubing［S］.

［7］ 吕栓录，龙平，赵盈，等.339.7mm偏梯形螺纹接头套管密封性能和连接强度试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（5）：25-29.

Effect Analysis of Thread Tolerance Zone on Seal of Buttress Thread

For the reason of the influence of the tolerance zone，there exist a gap between the API buttress casing thread，and the formation of spiral shape space gap.This gap is influenced by the height of thread tolerance zone，tooth type angle tolerance zone，taper tolerance zone and the tip of thread，thread root arc radius tolerance zone.From the view of the gap area caused by the tolerance zone，the effect on the sealing of the buttress thread is analyzed，and the calculation results show that the high tolerance zone effect the most，the second is the tooth，tooth bottom arc radius tolerance zone effect，and the tooth type angle tolerance effect is the least，the effect of the taper tolerance zone is controlled by the button on the site.At last，some reasonable measures are proposed to improve the connection sealing.The results provide the technical supports for the design，machining，and on-site evaluation of fit-for-service of buttress thread casing.

buttress thread casing；seal performance；threaded connection

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.001

1001-3482（2014）09-0001-04

2014-03-13

国家自然科学基金项目（50674077）；国家高技术研究发展计划（863计划）（2006AA09Z312）

彭泉霖（1990-），男，四川仁寿人，硕士研究生，主要从事管柱及岩石力学研究，E-mail：474713710＠qq.com。