基于API RP 5C5：2017 标准的特殊螺纹接头密封性能评价研究

唐家睿， 徐 凯， 周新义， 汪 强，杨晓龙， 彭建军， 兰增林

（1. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡721008；2. 宝鸡石油钢管有限责任公司， 陕西 宝鸡721008）

1 概 述

油管柱和套管柱是油套管通过螺纹连接在一起， 能承受高温、 高压、 拉伸、 压缩、 弯曲等载荷， 长度达几千米到一万米的专用采输系统[1]。 随着深井、 超深井、 高压油气井、 稠油热采井、 重腐蚀井、 定向井等的开采， 对石油套管提出了越来越苛刻的技术要求。 据统计， 接头部位是整个管柱最薄弱的环节[2]， 因此， 接头性能直接决定了石油套管产品乃至整个管柱的性能[3]。

特殊螺纹接头突破了API 接头在结构设计方面的框架， 一般具有连接强度高、 密封性能好等优点， 较好地解决了油套管接头的结构完整性和密封完整性问题， 应用范围不断扩大[4]。 2017年发布的API RP 5C5： 2017 《套管和油管接头试验程序推荐作法》[5]规定了石油天然气工业用套管及油管螺纹连接必要的验证试验方法及接收准则， 所规定的试验是设计验证程序的一部分，并可以为验证螺纹连接的试验载荷包络线和极限载荷与制造厂的声明是否一致提供客观证据[6]。API SPEC 5CT[7]及API SPEC 5B[8]是油套管制造的主要标准， 也是油套管订货、 验收、 使用的主要依据， 但是在实际的订货、 验收、 使用过程中仍有很多问题无法解决， 如油套管的使用性能（连接强度、 密封性能、 抗螺纹黏结性能）。 因此，有必要配合API RP 5C5： 2017 和ISO 13679：2002[9]标准对所选用的油套管进行评价， 进而选择适合工况的油套管[10]。

2017 年1 月， API RP 5C5 第4 版 正 式 发布， 其与ISO 13679： 2002 标准的不同主要在于： ①试样越来越少， 由ISO13679： 2002 的8根减少到API 5C5： 2017 的5 根； ②试样接头的加工要求越来越严格、 科学， 对锥度、 密封面和螺纹中径的要求越来越高， 更多考虑到生产加工中的小概率事件； ③试样项目类型越来越少， 但越来越复杂； ④试验内容越来越接近工况， 可参考价值越来越强； ⑤试验周期越来越长， 对一根试样的考验更加严苛。

本研究以Φ139.7 mm×12.7 mm 规格的Q125钢级某特殊螺纹接头为分析对象， 基于API RP 5C5： 2017 标准的试验程序进行实物评价试验，来评价特殊螺纹接头的密封性能。

2 基于API 5C5：2017 标准的特殊螺纹接头密封性能

2.1 试验方法

根据API 5C5： 2017 CAL IV 级标准对所选取的特殊螺纹极限样进行实物评价试验。 实物评价试验目的、 条件和结果见表1， 检验项目见表2。 其中， 1#和2#极限样属于密封低过盈样， 且上扣扭矩最小， 最容易在复合加载试验中发生泄漏； 3#极限样属于密封高过盈样， 且上扣扭矩最大， 最容易在上卸扣试验中发生粘扣。

全尺寸评价试验极限样及材料样取样如图1所示， 其中， MT 为材料样短节， 材料样应在相应极限样附近取样。

表1 全尺寸评价试验目的、条件及结果

表2 全尺寸评价试验试样编号及检验项目

图1 全尺寸评价试验极限样及材料样取样分布

2.2 特殊螺纹接头上卸扣性能评价试验

在接箍极限样磷化前依据API RP 5C5： 2017使用中径规、 密封直径规等对外螺纹接头与内螺纹接头螺纹参数进行检测， 结果见表3 和表4。

表3 外螺纹接头检验结果

表4 内螺纹接头检验结果

依据API RP 5C5： 2017 标准对5 根极限样进行上卸扣试验。 上扣扭矩及台肩扭矩结果如图2所示。 极限样台肩扭矩与上扣扭矩的比值为0.24～0.78。 其 中， 1#、 2#、 4#试 样 的 比 值 比 较低， 4#试样的比值最低。 这主要是由于4#试样螺纹及密封过盈量最小。 3#、 5#试样的比值比较高， 5#试样的比值最高， 这主要是由于5#试样螺纹及密封过盈量最大。 1#极限样上卸扣曲线及3#极限样上卸扣后形貌如图3 所示。 试验结果表明， 试样1#、 3#、 4#和5#经过上卸扣试验均未发生粘扣现象， 符合试验标准要求。

图2 试样上扣扭矩及台肩扭矩结果

图3 1#极限样上卸扣曲线及3#极限样上卸扣后形貌

2.3 特殊螺纹接头复合加载试验

复合加载试验的主要目的根据油田现场的实际情况， 模拟不同的使用环境 （水、 气、 升温等）， 对油套管施加复合载荷 （拉伸、 压缩、 弯曲、 内压、 外压等） 进行油套管的全尺寸检测试验， 完成API RP 5C5、 ISO 13679 等标准要求的油套管实物性能试验， 为油井管生产和实验室产品研发提供技术支持。 API RP 5C5： 2017 CAL IV标准要求对1#～4#极限样进行复合加载试验。 复合加载试验先后要进行B 系、 C 系、 A 系试验， 试验装置如图4 所示， 包络线及载荷点如图5 所示。

图4 复合加载试验装置照片

图5 复合加载试验包络线及载荷点示意图

由于API 5C5： 2017 CAL IV 标准要求试验过程中每根试样要进行260 多个载荷点、 500 多个试验过程步的试验评价。 这里仅以1#试样的主要载荷点为例进行阐述。 1#极限样的载荷谱计算参数见表5， 1#试验CAL IV 级试验评价载荷见表6。 其中， Ktemp为试样高温 （195 ℃） 实测屈服强度与常温实测屈服强度的比值。

通过试验观察， 在整个复合加载过程中，1#～4#极限样在试验过程中未出现结构失效及泄漏现象， 符合API RP 5C5： 2017 CAL IV 标准要求。

表5 1#极限样的载荷谱计算参数

表6 1#试样CAL IV 级试验评价载荷（室温下进行试验）

2.4 特殊螺纹接头极限载荷试验

依据API RP 5C5： 2017 CAL IV 标准对1#～5#极限样分别进行极限载荷试验。 试验条件及结果见表7。 1#极限样极限载荷曲线及5#试样拉伸至失效图片如图6 和图7 所示。 结果表明， 1#～5#极限样在试验过程中的保载点或失效点均超过标准要求的极限载荷， 符合API RP 5C5： 2017 CAL IV 标准要求。

表7 极限样极限载荷试验条件及试验结果

图7 5#试样拉伸至失效照片

3 结 论

（1） API RP 5C5： 2017 标 准 与ISO13679：2002 标准的不同主要在于试样越来越少， 试样接头的加工要求越来越严格、 科学； 试样项目类型越来越少， 但越来越复杂； 试验内容越来越接近工况， 可参考价值越来越强； 试验周期越来越长， 对一根试样的考验更加严铬。

（2） 试样1#、 3#、 4#和5#经过上卸扣试验均未发生粘扣现象， 符合标准要求。 极限样台肩扭矩与上扣扭矩的比值为0.24～0.78。 其中， 1#、2#、 4#试样的比值较低， 4#试样的比值最低。 这主要是由于4#试样螺纹及密封过盈量最小。 3#、5#试样的比值比较高， 5#试样的比值最高， 这主要是由于5#试样螺纹及密封过盈量最大。

（3） 试样1#～5#经过上卸扣试验均未发生粘扣现象， 在整个复合加载试验过程中， 1#～4#极限样在试验过程中未出现结构失效及泄漏现象；1#～5#极限样在试验过程中的保载点或失效点均超过标准要求的极限载荷， 满足API RP 5C5：2017 CAL IV 标准要求。