非API 标准规格BC 螺纹连接强度的推荐计算方法

吕春莉，黄永智，杨腾飞

（天津钢管制造有限公司，天津300301）

0 引言

在API SPEC 5B 标准比较老的版本中（1996-第14 版）说明了偏梯形螺纹是在1955 年前后由美国钢铁公司贡献给API 的（API 是美国石油协会的简称），偏梯形螺纹（Buttress Thread）标准代号是“BC”[1]。API 有着悠久的历史和完善的技术体系，与套管和油管关系密切的标准或规范有API SPEC 5B和API TR 5C3。API SPEC 5B 标准给出了所有API规格套管和油管的螺纹几何参数。API TR 5C3 规范则给出了这些套管和油管使用性能的计算公式。随着石油工业的不断发展，API 标准中列出的规格显得不能满足现实应用了，市场出现了一些有需求而又不在API 标准之列的特殊规格，即非API 标准规格BC 螺纹套管和油管，例如常见的200.03 mm、250.83 mm、346.08 mm 等等。

对于非API 标准规格BC 螺纹套管和油管的制造，我们面临两个问题：一是螺纹几何参数的设计，然后做出这些特殊规格的螺纹。二是计算螺纹连接强度，给用户一个使用性能的可靠保证值。本文不讨论第一个问题，只对第二个问题提出思考和一些建议。

对于非API 标准规格BC 螺纹的连接强度，是否依然采用API TR 5C3 公式计算方法？还是需要采用其它优化计算方法？以便更好的保证非API 标准规格BC 螺纹的强度指标和成功下井应用。在这里，作者把对于非API 标准规格偏梯形螺纹连接、使用性能计算中最重要的连接强度计算的认识和经验写出来，供读者参考。

1 API 标准BC 螺纹连接强度的计算方法简要解析

图1 为BC 螺纹机紧位置和齿形放大图。图中，D：管子外径；t：管子名义壁厚；W：接箍外径；d1 ：机械上紧位置的管端接箍螺纹根部直径；f：轴向载荷。

图1 BC 偏梯螺纹机紧位置和齿形放大图

从图1 可以看出，管子受到的轴向载荷是通过接箍传递给另一支管子的，而管子与接箍之间依靠螺纹连接。这种螺旋状的齿两侧不对称。在钻井每一开次完成垂直下入套管时，承受载荷的一侧（承载侧）与径向成3°角，另一侧（导入侧）与径向成10°角，齿形好像是一个偏着的梯子，因此而得名偏梯螺纹（BC）。

在API TR 5C3 中，给出2 个公式，取管子螺纹强度和接箍断裂强度的最小值作为BC 螺纹的连接强度。而接箍的断裂强度计算是考虑机紧上紧位置的管端接箍螺纹根部直径这一因素。API TR 5C3 给出的BC 螺纹的连接强度计算如下所示[2]：

（1）管子螺纹强度：Pj=0.95Ap fumnp[1.008-0.0396(1.083-fymnp/fumnp)D]

（2）接箍断裂强度：Pj=0.95Ajcfumnc

其中，系数0.95 来源于多次回归方程式的统计误差，为调整允许使用最低性能要求以替代一般要求性能。公式（1）来源于1970 年代的151 次试验得出的公式，是用数学方法对试验数据回归得到的，属于经验公式。公式（2）就是接箍的危险截面乘以材料的抗拉强度，显而易见这是最大的承载能力了。这两个公式早在1974 年API TR 5C3 中被发布。

随着油田井况越来越复杂，越来越多的非API标准规格的油套管有市场需求。我们对螺纹连接强度的计算方法也有了新的认识，笔者个人认为现有的公式虽被广泛使用，但还是存在一定的缺欠。取管子螺纹连接强度和接箍断裂强度的最小值作为BC 螺纹连接强度，还是不足够严密。

2 非API 标准规格BC 螺纹连接强度的推荐计算方法

由于非API 标准规格BC 螺纹几何参数，遵循API SPEC 5B 设计规律和设计原则，所以其螺纹连接强度的计算，可以直接采用API TR 5C3 公式。螺纹接头连接强度是对螺纹连接结构完整性的考量，是石油套管应用的关键因素之一。所以笔者认为，对于螺纹连接强度的计算，还需要再考虑危险截面积处的屈服强度。所以，综合如下：

（1）管子螺纹强度：Pj=0.95Ap fumnp[1.008-0.0396(1.083-fymnp/fumnp)D]

（2）接箍断裂强度：Pj=0.95Ajcfumnc

（3）管体屈服强度（使管子屈服所需的轴向载荷）：Py=Ap×Yp

（4）管子危险截面屈服强度（管子危险截面处屈服所需的轴向载荷）：Pcs=Ac-pin×Yp

我们知道，对于偏梯螺纹来说，螺纹加工采用自然退刀方式，所以管子危险截面屈服强度等同于管体屈服强度。

（5）接箍危险截面屈服强度（接箍危险截面处屈服所需的轴向载荷）：Pcs=Ac-box×Yp

取以上5 个公式计算的最小值，作为非API 标准规格BC 螺纹的连接强度。

以上所有公式中，除了在API TR 5C3 中给出符号说明，其它符号为Py：管体屈服强度；Ap ：管体的横截面积；Yp：规定的管子最小屈服强度；Pcs：危险截面屈服强度；Ac-pin：管子的危险截面积；Ac-box：接箍的危险截面积。

3 举例对比分析

举例国内油田需求的常用非API 标准规格的套管产品200.03 mm BC、250.83 mm BC 和346.08 mm BC，分别采用API TR 5C3 标准的计算方法和笔者推荐的计算方法，对螺纹连接强度进行对比分析。不同非标规格BC 螺纹采用不同算法的计算结果对比见图2，相同外径不同壁厚的非标规格BC螺纹采用不同算法的计算结果对比见图3。

图2 不同非标规格BC 偏梯螺纹采用不同算法的计算结果对比

由图2 可以看出：当采用不同计算方法时，随着钢级强度的减小，非标规格BC 螺纹连接强度的对比影响越来越大。随着规格的减小，非标规格BC螺纹连接强度的对比影响增加。相对来说，对大规格高钢级的套管影响很小，但对于小规格低钢级的套管影响较大。

由图3 可以看出：当采用不同计算方法时，针对相同的管子外径，随着壁厚的增加，非标规格BC偏梯螺纹连接强度的对比影响增加。

图3 相同外径不同壁厚的非标规格BC 偏梯螺纹采用不同算法的计算结果对比

经过举例对比，可见采用笔者推荐的计算方法，螺纹连接强度更为可靠、安全。需要提醒的是，在计算BC 螺纹连接强度时，考虑到公式中的一些因子最初是以USC 单位导出，所以无论用何种方法代入公式计算时，建议首先用美国惯用单位USC 进行计算，然后再转换成国际单位SI 进行使用。这样，有利于BC 螺纹连接强度数值更加准确，对油套管下井使用更有保障。这一点，在API TR 5C3 中也有提到。

最后，针对业内有人主张用螺旋线承载面积来计算螺纹的连接强度，在这里简单介绍一下。API SPEC 5B 中BC 形螺纹的设计以L7 为界分为完整螺纹和不完整螺纹两个部分，L7 以内的承载面积和L7 以外的承载面积的总和乘以材料屈服强度，作为螺旋线的承载面积，用来作为螺纹的连接强度。其中，不完整螺纹长度为黑皮扣部分，所以要进行一定的折算，这个折算业内人士也有各种不同经验看法。另外，计算螺纹的承载面积时，由于承载面是一个螺旋带状，所以精确计算它的面积十分复杂。考虑到我们面对的是一个圆锥螺纹，它的直径随着轴向位置的变化而变化，可以用L7 处的中径E7 来代替变化的螺纹直径，也就是E7 作为平均直径计算螺旋线长度。这种计算有太多的简化而没有被权威统一和认可，所以这种BC 形螺纹连接强度计算的方法还有待于进一步探讨。

4 结论

本文先对API 标准偏梯螺纹连接强度的计算方法进行简要解析，再结合经验设计，提出一种计算非API 标准规格的偏梯螺纹连接强度的推荐方法。通过不同非标规格BC 螺纹采用不同算法的计算结果对比，和相同外径不同壁厚的非标规格BC螺纹采用不同算法的计算结果对比。结果显示，笔者推荐的强度计算方法，对提供给用户的套管、油管、接头使用性能的计算更具有可靠性，可供石油套管工程参考应用。这种方法同样对API 规格的BC 螺纹连接强度的计算具有参考意义。