关于油套管特殊螺纹的研究与分析

黄继庆，胡海波，苑承波

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司研究院，天津 300280）

螺纹连接是油套管的主要连接方式，也是管柱最薄弱的环节，油套管约有80%的失效发生在螺纹连接部位。API标准的螺纹在保证井下管柱的结构完整性和密封完整性方面均存在不足，不能用在高压、高腐蚀等严酷环境下的油气井。而特殊螺纹具有较高的连接强度及抗变形能力，并具有良好的密封性能，可以应用于严酷条件的油气井。特殊螺纹设计的核心主要包括优化密封面、扭矩台肩和连接螺纹参数，降低应力集中、保证密封性能、减少塑性变形，从而保证油套管的结构完整性和密封完整性。

1 特殊螺纹接头性能要求

1．1 良好的密封性能

油套管在井内一般可以归为三个轴方向的受力，主要包括管柱所受的拉力、外部挤压力、内部膨胀压力以及三种应力组合。要求特殊螺纹接头不仅有较好的抗拉、抗压性能，在交变载荷和高温情况下具备较好的密封性能。

1．2 抗粘扣性能

特殊螺纹的螺纹和密封区的过盈量都采取较高的数值，在上卸扣过程中发生粘扣的概率较高。抗粘扣能力是考察特殊螺纹性能的重要指标之一。

1．3 可加工性

因特殊螺纹具备较复杂的结构，其可加工性也是衡量特殊螺纹是否实用的重要指标。主要体现在加工时间和加工成本方面。

2 特殊螺纹接头密封面设计

2．1 密封结构的设计

密封结构的设计主要包括密封结构的选择和密封过盈量的确定。密封结构因接触方式不同可分为两类：线接触结构与面接触结构。在相同的极限密封压力下，线接触密封过盈量较高，面接触略低。如果密封锥度很大，施加张力时，在密封区的密封压力会显著地减小；如果密封锥度太小，在装拆期间会由于滑动距离的增大而在密封面上发生擦伤。密封锥度应大于螺纹锥度。密封接触长度因结构不同存在，常见的球面对锥面为代表的线接触密封形式，其高压面接触长度约1.5mm，而以锥面对锥面为代表的面接触密封形式，根据结构不同，其接触长度在2～7mm。特殊螺纹在设计过程中，宜选择将密封面放在靠近螺纹的位置，相比靠近管端的位置，即使在现场操作期间管端受到磕碰，密封面也很难被破坏。

2．2 密封过盈量的设计

密封面的接触压力越高，接头的气密封性越好。接触压力的高低，来自于过盈量的大小。较小的过盈量，在受力情况下密封面易产生泄漏通道。而较大的过盈量会使螺纹变形，造成粘扣。过盈量的确定主要依据以下原则：（1）密封接触压力小于材料屈服强度；（2）密封接触压力大于管体内屈服压力；（3）密封面应具有较大的平均接触压力和较低的峰值接触压力及接触长度，上卸扣过程中不易粘扣。为了防止产生塑性变形，过盈量一般要小于材料的比例极限应变量。最大过盈量的计算公式如下：△Smax=σp×OD

式中，σp为比例极限应变量；OD为管子外径。

而最小过盈量的确定，则要大于管体的内屈服压力，计算公式如下：△Smin=2d×dt2×P/E（dt

2-d2）

式中，d为啮合处直径；dt为接箍外径；P为内屈服压力；E为弹性模量。

2．3 密封面精度

密封面表面粗糙度同样会影响密封的实际使用性能。表面粗糙度越大，表面需施加的初始接触应力越高，表面粗糙度越小，表面需施加的初始接触应力越低。常见特殊螺纹接头密封面粗糙度一般选取在0.8～3.2um。

3 特殊螺纹接头扭矩台肩设计

扭矩台肩主要起到提高接头抗粘扣和抗过扭功能。负角度的扭矩台肩密封性能要优于直角台肩。但负角度过大会使母螺纹台肩面刚度降低，加工困难。因此，一般负角度都控制在15°以内。扭矩台肩的设计还应该考虑接箍中孔长度。如果中孔长度过短，两个管螺纹的扭矩台肩会对中孔产生相交的附加力，易造成中孔位置尺寸的变化。中孔长度Ld（如图1所示）应满足以下关系：

Ld＞2Lp=2Ls×（sin15°+cos15°）。

式中，Ld为接箍中孔长度；Lp为扭矩台肩影响区长度；Ls为扭矩台肩厚度。

图1 扭矩台肩中孔

4 特殊螺纹接头螺纹设计

4．1 螺纹配合方式设计

螺纹的配合方式主要有两种，一种为承载面-导向面配合，一种为齿顶面-齿根面配合。承载面-导向面配合，仅在螺纹牙顶和牙底之间存在间隙，螺纹具有较高的抗压缩载荷能力和连接强度。这种配合方式对加工精度的要求极高。齿顶面-齿根面配合，在承载面和导向面之间、齿顶和齿根之间均存在间隙。这需要控制牙侧之间的间隙，以保证螺纹在受到压缩载荷时，牙侧彼此接触。基于以API偏梯扣螺纹的特殊螺纹，牙侧间距选择在20～90μm时，可以具有较好的抗压缩载荷能力。

4．2 螺纹承载面和导向面角度设计

螺纹接头根据承载面和导向面角度的不同，主要分为四种，主要有双正角度，导向面正角度、承载面负角度，导向面正角度，承载面直角和双负角度。承载面角度的降低，可以有效地提高抗压缩等性能。但是，负角度承载面也存在加工和表面处理困难等问题。较大的导向面角度有利于上扣，但导向面角度过大会降低接头的抗压缩性能。新日铁的研究表面，当齿形角半角的正切值小于接触面系数时，接头不会发生滑脱，计算方法如下：

tanθ≤μ

式中，θ为齿形半角；μ为接触表面的摩擦系数。

4．3 螺纹锥度设计

在锥度设计方面，一些接头采用API螺纹的锥度1：16，而另一些接头锥度不同于API标准锥度。加大锥度可以提高接头的对扣性能和改善接头的应力分布，受壁厚限制，较大锥度只适用于厚壁管。

4．4 螺纹啮合长度的确定

在拉伸载荷作用下，螺纹会产生根部滑移和塑性脱扣滑移的倾向，主要失效形式是塑性脱扣滑移，以API偏梯螺纹为例，其根部滑移距离为2.50mm，塑性脱扣滑移距离为2.23mm（图2所示）。

图2 拉伸载荷下螺纹的滑脱倾向

若满足螺纹的连接强度大于管体，计算公式如下：

n≥σt/τl

式中，n为啮合螺纹齿数；τ为剪切屈服强度MPa；σ为屈服强度MPa；τ/σ≈2；l为塑性脱扣距离mm；t为管子壁厚mm。如外径139.7mm钢管，壁厚12.7mm,每英寸5牙，计算n≥2×12.7/2.23≈11.4，有效螺纹长度为58mm。

4．5 表面处理方式

特殊螺纹的上卸扣性能通常要求套管和油管分别能承受3次和10次重复上卸扣试验而无粘扣现象。一般对于碳钢和Cr-Mo钢，主要选用磷化处理，如果油套管应用在高温工况条件，需要进行镀铜处理。对于高合金材料，应用喷砂和镀铜相结合的方式进行。

5 结语

特殊螺纹的设计既需要有较丰富的螺纹加工经验，也需要具备有限元分析的能力。特殊螺纹的研制是一个复杂而又漫长的工作。就特殊螺纹的设计研究，在今后的工作中，应该重点关注以下几点：（1）密封面是特殊螺纹设计中关键的部位，结构形式、过盈量、接触位置、粗糙度等参数都会对螺纹的气密性产生影响，设计中应联合考虑。（2）扭矩台肩不仅起到密封作用，还能提高螺纹的抗粘扣性能和压缩性能等。特别是在设计高抗压缩性能的螺纹接头时，应合理设计扭矩台肩尺寸，提高接头整体性能。（3）螺纹设计应充分考虑螺纹的配合形式及单项参数的优化，应均与啮合螺纹的应力，降低螺纹粘扣的风险。