基于BTC齿形的螺纹连接强度计算方法浅析

柳玉伟,张 军,陈玉鹏,黄永志

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津 300301)

基于BTC齿形的螺纹连接强度计算方法浅析

柳玉伟,张 军,陈玉鹏,黄永志

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津 300301)

简要介绍了API标准中BTC扣螺纹连接强度的计算方法,引入了两种螺纹强度的计算公式,结合机械制图软件,给出计算螺纹连接强度的新方法。

螺纹;螺旋线长度;强度

1 引言

BTC螺纹的连接强度性能参数对于石油行业在使用油井管下井过程中非常重要,关于如何计算螺纹的连接强度,公式(1)给出了根据API 5C3相应的经验计算公式[1],公式(2)为管体的连接强度计算。

其中:Pj—螺纹连接强度,N;

P—管体连接强度,N;

Yp—管体最小屈服强度,N/mm2;

Up—管体最小抗拉强度,N/mm2;

Ap—平端管横截面积,Ap=0.785 4(D2-d2),mm2;

D—管体外径,mm;

d—管体内径,mm。

由公式(1)和公式(2)的计算方法,表1列出几种规格的管体连接强度和螺纹连接强度数据比较。

从表1可以看出,同一规格不同钢级情况下,管体的连接强度有时大于管体螺纹连接强度,有时小于;在API 5C3[2]标准中也指出公式(1)是基于151根BTC套管试验回归分析得出的经验公式,试验的套管尺寸范围在114.3～508 mm之间。

由统计学原理得到的经验公式(1),油田已经使用多年,为了更加精确地计算连接强度,需要归纳总结出新的理论计算公式。

2 螺纹连接强度计算方法简要解析

BTC螺纹属于在钢管外表面根据1∶16锥度车丝API齿形得到,见图1、图2。

由图1和图2可以看出,管体螺纹的连接性能主要取决于螺纹承载面积的多少,螺纹承载面积如果大于管体的横截面积,必然导致螺纹的连接强度高于管体的连接强度,通过公式(2)可以求解出管体的连接强度,连接强度公式主要参数就是管体的屈服强度和管体的横截面积,在同一材质上管体和螺纹的屈服强度一致,现在需要求螺纹的承载面积,有两种方法。

表1 根据公式(1)和公式(2)计算的连接强度P和Pj

图1 BTC螺纹接头剖面

图2 BTC螺纹接头示意

其中:Al1、Al2—螺纹承载面积,mm2;

λg—不完整螺纹部位螺旋线长度,mm;

λl7—完整螺纹部位螺旋线长度,mm;

h—BTC螺纹齿高,1.575mm;

l7—完整螺纹长度,mm;

g—不完整螺纹长度,mm;

E7—螺纹l7部位节径尺寸,mm;

t—螺纹的螺距,mm。

最后得到螺纹连接强度:

其中:Pl—螺纹的连接强度,mm;

Al—根据公式(3)和公式(4)计算得到的螺纹

承载面积,mm2;

Yp—管体最小屈服强度,N/mm2。

3 计算机制图法计算螺旋线长度λ

结合API 5B中螺纹尺寸参数,见表2[3],利用计算机绘图软件画出节径位置螺旋线尺寸,通过测量得出长度值,见图3所示。

表2中:

D4—大端直径,mm;

g—不完整螺纹长度,mm;

L7—完整螺纹长度,mm;

L4—管端到螺纹消失点总长度,mm;

E7—中径尺寸,mm;

J—机紧后管端到接箍距离,mm;

Jn—手紧后管端到接箍距离,mm;

A1—管端到三角形标记长度,mm;

A—手紧紧密距牙数;

Q—接箍镗孔直径,mm;

Lc—从管端起完整螺纹最小长度,mm。

4 根据公式计算进行比较

根据给出的公式(3)和公式(4),从已知表2数值代入两个公式,见表3,结合计算机制图法,与公式(1)计算结果进行比较。根据表4计算结果显示,根据公式(3)和(4)计算的螺纹连接强度远远大于API给出的经验公式计算的连接强度值。

表2 BTC螺纹尺寸参数

图3 通过计算机绘图软件查询结果

表3 计算螺纹承载横截面积

表4 螺纹连接强度对比

5 结论

通过对API 5B螺纹连接强度公式的描述,进一步归纳出螺纹强度公式的其他计算方式,通过计算比较发现,API BTC螺纹的连接强度远远大于管体强度,可以安全使用。此外文中归纳的公式(3)和(4)两种求螺纹螺旋线长度的方法也适用于其他螺纹接头设计参考使用。

[1] 美国石油学会.API SPEC 5CT 9thSpecification for Casing and Tubing.套管和油管规范[S],2012-1-1:28.

[2] 美国石油学会.APITR 5C3-2008 Technical Report on Equations and Calculations for Casing,Tubing,and Line Pipe Used as Casing or Tubing;and Performance Properties Tables for Casing and Tubing.套管、油管和钻杆和输送管性能的计算和公式通报,2008-12:52 -53.

[3] 美国石油学会.API SPECIFICATION 5B 15thSpecitication for Threading,Gauging and Thread Inspecion of Casing,Tubing,and Line Pipe Threads.套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范[S].2008.

Analysis of Strength Calculation Methodfor BTC Thread Connection

LIU Yuwei,ZHANG Jun,CHEN Yupeng,HUANG Yongzhi
(Technology Center,Tianjin Pipe Corporation,Tianjin 300301,China)

A briefly calculation method of the thread joint strength according to API 5C3 Standard is introduced in this paper.Combined with the CAD software,two new formula of the thread joint strength are given.

thread,helix length,strength

TG62

A

1001-5108(2017)03-0046-03

柳玉伟,工程师,主要从事特殊扣螺纹接头的研发工作。