API偏梯形螺纹接头套管设计解析
2016-09-18弥小娟吕拴录
弥小娟 ,吕拴录
(1.新疆油田公司乌鲁木齐石油物资储运公司 新疆 乌鲁木齐 830068;2.中国石油大学材料科学与工程系 北京 102249)
·开发设计·
API偏梯形螺纹接头套管设计解析
弥小娟1,吕拴录2
(1.新疆油田公司乌鲁木齐石油物资储运公司新疆乌鲁木齐830068;2.中国石油大学材料科学与工程系北京102249)
通过对API偏梯形螺纹接头牙形、基本参数和抗拉强度设计等进行分析,加深了对偏梯形螺纹接头设计原理的理解。通过对API偏梯形螺纹接头结构尺寸进行分析,搞清了偏梯形螺纹接头螺纹总长L4、完整螺纹长度L7、不完整螺纹长度g、螺纹大端直径D4、螺纹中径E7和管体外径等参数之间的关系。
偏梯形螺纹套管接头;螺纹牙形;螺纹结构尺寸;螺纹长度;螺纹中径;螺纹大端直径
0 引 言
随着石油工业的发展和钻井技术的要求,深井和超深井越来越多,对套管连接强度要求越来越高。API偏梯形螺纹接头连接强度高,目前已经被大量使用在深井和超深井。对于API偏梯形螺纹接头套管,许多学者进行了研究。文献[1]论述了244.5 mm套管偏梯形螺纹接头L4长度公差分析及控制。文献[2]对339.7 mm偏梯形螺纹接头套管密封性能和连接强度进行了试验研究。文献[3]分析了螺纹公差带对偏梯形螺纹接头密封性能的影响。然而,由于目前缺乏对API偏梯形螺纹接头设计原理及各项螺纹参数含义等系统分析和研究,油田套管柱设计选择扣型方面还存在不足,生产厂在偏梯形螺纹接头套管生产、检验方面还存在不同的认识,油田在偏梯形螺纹接头套管到货验收方面也存在一些问题。因此,很有必要对偏梯形螺纹接头牙形设计和结构尺寸设计进行研究。
1 API偏梯形螺纹接头设计思想
1.1管螺纹设计思想
管螺纹设计主要包括螺纹基本牙形[4]设计和结构尺寸设计两项内容。螺纹基本牙形设计包括齿高、螺距和牙形角的确定;螺纹结构尺寸设计包括螺纹直径、螺纹锥度和螺纹长度的确定。螺纹的齿高、螺距和牙形角是确定螺纹牙形的三个基本要素;螺纹的直径、锥度和长度是确定螺纹整体结构尺寸的三个基本要素。
1.2偏梯形螺纹牙形设计
为提高螺纹接头的轴向承载能力,API Spec 5B[5]偏梯形螺纹牙形采用近似 “等强度梁”的“偏梯形”截面形状,其牙形角为13°,其中承载面牙形半角为3°,导向面牙形半角为10°,如图1所示。承载面牙形半角采用小角度自锁设计,使得螺纹接头在轴向拉伸载荷作用下,其内、外螺纹承载接触面之间产生的径向分力F小于内、外螺纹承载接触面之间的径向摩擦力,即螺纹承载面牙形半角α小于或等于内、外螺纹材料间的摩擦角λ(摩擦角λ=arctanμ,μ为材料的摩擦系数),减小了内、外螺纹沿径向滑脱失效的倾向。这就是在拉伸载荷作用下,API 偏梯形螺纹接头不容易发生滑脱失效的根本原因。综上所述,API偏梯形螺纹牙形具有如下两个显著特点:
图1 API偏梯形螺纹牙形
1)牙形截面形状采用近似的“等强度梁”设计,承载能力强;
2)牙形承载面采用小角度自锁设计,螺纹接头不容易发生滑脱失效。
1.3API偏梯形螺纹的基本参数
1.4API偏梯形螺纹接头抗拉强度设计
为提高偏梯形套管螺纹接头的整体抗拉强度,API偏梯形套管螺纹接头从下述两个方面进行了最优化的结构尺寸设计。
a)螺纹接头本身的抗拉强度要足够大(理论上大于或等于管体抗拉强度即可),这就要求内、外螺纹应有足够的啮合长度以保证接触强度要求的牙形接触面积和螺纹抵抗剪切破坏强度要求的牙形剪截面积[3]。
b)外螺纹的牙底小锥自然延伸到管体外径,就是说外螺纹按规定的锥度在管体外径处自然消失,全部螺纹在加工过程中不存在突然退刀现象。同时,接箍内螺纹与全部外螺纹(包括不完整螺纹)配合,这就使得套管螺纹接头在轴向拉伸载荷作用下的危险截面积(理论上)应该近似等于管体的横截面积。一般情况下,由于接箍的危险界面积大于管体,所以说,API偏梯形套管螺纹接头的抗拉强度近似达到了管体的抗拉强度(图2)。
2 API偏梯形螺纹的尺寸分析
根据几何学原理,对圆锥而言,如果确定了圆锥的长度、锥度和直径(可以是大端、小端或某一确定截面位置的直径)数值,那么这个圆锥就是唯一确定的。与此类似,在螺纹牙形及螺纹锥度已经确定的条件下,螺纹长度和螺纹直径是管螺纹设计时必须要确定的两个重要参数。
图2 API偏梯形螺纹结构尺寸
2.1螺纹长度
API偏梯形螺纹长度包括完整螺纹长度L7、不完整螺纹长度g以及螺纹全长L4三个参数,其相互关系如下。
L4=L7+g
(1)
不完整螺纹长度g仅与螺纹高度h及螺纹锥度k有关,可以认为g是常量。
g=2h/k=2×0.062×16=1.984 in
(2)
将式(2)代入式(1),得
L4=L7+1.984 in
(3)
对于规格大于13 3/8in的偏梯形螺纹套管,
g=2h/k=2×0.062×12=1.488 in
(4)
将(4)式代入(1)式,得
L4=L7+1.488 in
(5)
式(3)和式(5)的意义在于螺纹的长度尺寸实质上只有一个,因为确定了L7的长度也就等于确定了L4长度,反之亦然。
通过对API Spec 5B标准规定的偏梯形螺纹尺寸进行分析,可以看出该标准是以常见的7 in套管为基准进行设计的,螺纹全长尺寸L4按英制单位习惯进行了系列优化。
为满足API偏梯形螺纹接头套管的抗拉强度理论上达到管体的抗拉强度的条件,螺纹设计应以标准系列中较大壁厚规格作为设计依据。API Spec 5B标准是以7 in×0.54 in规格为依据进行设计、计算的。下面,我们通过7 in×0.54 in管子来验证上述推断的正确性。
7 in×0.54 in管子的截面积Sg为
(4)
螺纹有效承载接触高度为
h1=0.062-2×0.008=0.046(in)/0.0056
螺纹牙形承载面的接触面积SJC近似等于牙高h1与螺旋线长度Lx的积[3],即
SJC=0.046Lx
(5)
令SJC=Sg,联立式(4)、式(5),解得满足强度要求的螺旋线长度为
Lx=238.24(in)
其中,SJC精确的计算式应为SJC=0.046Lcosγ,γ为螺纹的螺旋升角,γ=arctan(p/πd),cosγ≈1。
螺纹牙形剪截面积SJQ的近似计算式为
SJQ=b×L
(6)
式(6)中:L—螺纹等效螺旋线长度;
b—螺纹牙底宽度。
对于API偏梯形螺纹,牙形剪截面积SSJ远远大于牙形接触面积SJC,故在此可以不予考虑。
螺纹每一牙的螺旋线长度是不同的,在已知螺纹螺旋线长度的情况要精确计算螺纹牙数(或螺纹的轴向长度)是十分困难的。由于螺纹的锥度较小,螺纹大端与小端的直径相差不大,可以用公称值7 in为直径的圆环来近似代替螺纹每一牙的螺旋线长度,那么满足强度要求的螺纹的近似牙数n如下:
n=238.24/(7π)=10.83≈11(牙)[4]
上述结果表明,对于7 in×0.54 in规格的套管,11牙完整螺纹即可满足抗拉强度要求。如果设计螺纹长度11牙为完整螺纹,再加上不完整螺纹的强度贡献,则螺纹接头的抗拉强度将有一定的定裕量。
不完整螺纹牙数为n′=1.984÷0.200=9.92≈10(牙);
螺纹的总牙数为n+n′=21(牙);
螺纹全长L4=21×0.200=4.200(in)。
可以看出,上述结果与API Spec 5B标准规范中7 in偏梯形螺纹的L4尺寸完全一致。
2.2螺纹大端直径D4
满足抗拉强度要求的螺纹长度确定后,下一步应该确定螺纹直径。一般认为,API偏梯形螺纹的中径值E7作为重要参数,应该属于螺纹设计首先要确定的螺纹直径值,实际上不是这样。依据API偏梯形螺纹的设计理念—螺纹按规定锥度在管体外径处自然消失的原则,螺纹的消失直径值才是API偏梯形螺纹设计时首先要确定的螺纹直径,中径E7只是导出值而已。分析API Spec 5B标准可知,螺纹的理论消失直径,也就是螺纹大端直径D4。在确定了基本大端直径D4后,再加上已经确定的螺纹长度L4和螺纹锥度k,螺纹的结构也就确定了。
螺纹接头设计要明确规定管体外螺纹接头与接箍内螺纹接头相互配合的位置关系,也就是要规定最小机紧和最大机紧位置。分析API手紧与机紧上扣的位置(图3)关系可以看出,
图3 API偏梯形螺纹接头拧接位置
对于7 in套管,管体的最大直径为Dmax=7×(1+0.75%)=7.052 in。
最大与最小机紧位置之间的距离为:0.375+0.200=0.575 in,那么,D4=7.052-0.575÷16=7.016 in,D4与API Spec 5B规定的7 in偏梯形螺纹接头套管D4值完全相同。
2.3螺纹中径
螺纹中径尺寸由下式确定。
E7=D4-h
对于7 in套管,E7=D4-h=7.016-0.062=6.954 in。
2.4螺纹的其它尺寸
螺纹的其它结构尺寸均可以由相关尺寸导出,这里不再赘述。
3 结 语
1)通过对API偏梯形螺纹套管接头牙形、基本参数
和抗拉强度设计等进行分析,加深了对偏梯形螺纹接头设计原理的理解。
2)通过对API偏梯形螺纹套管接头牙形和结构尺寸进行分析,对API偏梯形螺纹接头的设计原理及各项螺纹参数之间的关系有了更深刻、更全面的认识。
3)本文对于套管生产厂家和从事套管加工和检验的技术人员有一定指导意义。同时对油田从事套管柱设计和套管验收的技术人员也有一定参考价值。
[1] 吕拴录,姬丙寅,杨成新,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.
[2] 吕拴录,龙平,赵盈,等.339.7 mm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.
[3] 彭泉霖,何世明,郭元恒,等.螺纹公差带对偏梯形螺纹密封性的影响分析[J]. 石油矿场机械,2014,43(9):1-4.
[4] 国家质量技术监督局.GB/T 7307-2001 55°非密封管螺纹[S].2011.
[5] API.API SPEC 5B SPECIFICATION FOR THREADING,GAGING, AND THREADED INSPECTION OF CASING, TUBING, AND LINE PIPE THREADS.15th ed [S]. Washington D.C., 2004.
Analysis on the Design of API Buttress Thread Joint
MI Xiaojuan1, LV Shuanlu2
(1.UrumqiPetroleumStorageandTransportationMaterialsCompanyofPetroChinaXinjiangOilfieldCompany,Urumqi,Xinjiang830068,China;2.MaterialScienceandEngineeringDepartment,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)
Based on the analysis of thread profile design, basic parameters, thread tensile strength design, and so on for API buttress thread connection, the design principle of API buttress thread joint is further understood. Through analyzing the API buttress thread joint structure dimension, it is clarified the relationship among total thread lengthL4, imperfect thread lengthg, the major diameterD4, pitch diameterE7,and the outside diameter of pipe body.
buttress thread casing connection;thread profile;thread structure dimension;thread length; pitch diameter;major diameter
弥小娟,女,1973年生,工程师,1992毕业于大连大学工学院商品及养护专业,一直从事石油专用管材的检验工作。E-mail:13699998753@163.com
TE931
A
2096-0077(2016)04-0011-03
2015-12-13编辑:葛明君)