螺纹黏结对圆螺纹套管连接强度的影响

李 兵，高连新

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

螺纹黏结是圆螺纹套管常见的失效形式，经常会造成接头密封性能下降、连接强度降低，甚至脱扣掉井。目前，国内外大多数厂家还没有完全解决圆螺纹套管的螺纹黏结问题，每年油田因套管螺纹黏结失效造成的损失十分巨大。正因如此，螺纹黏结问题一直是科研工作者研究的热点［1-3］。

根据ISO 13679—2019《石油天然气工业 套管及油管螺纹连接试验程序》的定义，螺纹黏结是“金属材料接触表面在螺纹滑动或旋转过程中，发生冷焊而产生的撕裂现象”。因此，螺纹黏结是由螺纹局部高接触应力作用下金属表面相对滑动造成的，通常归咎于两接触表面有没有足够的润滑。ISO 13679—2019将螺纹黏结分为3个等级，即：①螺纹轻度黏结（light galling），可以用砂纸修复的螺纹黏结；②螺纹中度黏结（moderate galling），可以用锉刀和砂纸修复的螺纹黏结；③螺纹严重黏结（severe galling），用锉刀和砂纸不能修复的螺纹黏结。

上述分类方法以可否修复作为判定螺纹黏结的依据，具有较强的可操作性，但这种分类方法也存在两点不足：①螺纹可否修复受判定人的主观影响很大，缺少量化标准；②修复后的螺纹会不会影响其连接强度、密封性能，ISO 13679—2019并没有给出对应关系。

因螺纹黏结引发的套管掉井事故屡见不鲜［4］，说明螺纹黏结对连接强度有明显影响。目前，研究者从螺纹加工质量、现场操作等方面开展了大量工作［5-19］，但鉴于螺纹黏结的影响因素多，螺纹黏结问题并没有完全解决。特别是对已经发生黏结的螺纹，其连接强度会有多大削弱，可否继续使用，目前还缺乏相关的数据，对这些问题很有必要开展深入研究。

1 螺纹黏结形貌分析

参考ISO 13679—2019标准对螺纹黏结的定义，将发生不同程度螺纹黏结的API圆螺纹齿形放大，可以得到螺纹损伤后，牙型表面的轮廓形貌。圆螺纹套管螺纹黏结形貌如图1所示。

图1（a）所示为上扣前的标准螺纹牙型，其表面光滑平整，齿形轮廓清晰。

图1（b）所示为外螺纹表面出现轻度螺纹黏结的齿形形貌。在啮合螺纹应力集中部位的齿顶、齿侧面上均有螺纹黏结痕迹，但此时的螺纹黏结面积较小，齿形修磨后可继续使用。

图1 圆螺纹套管螺纹黏结形貌

图1（c）所示为外螺纹表面出现中度黏结的齿形形貌。此时承载面和导向面均产生了明显螺纹黏结，螺纹黏结损伤面积明显大于轻度黏结。

图1（d）所示为发生严重螺纹黏结的油管牙型。齿面损伤十分严重，已看不出螺纹外观的原始轮廓。齿顶因挤压、磨削已无形状。

螺纹黏结发生在接头上（内螺纹略）的具体位置如图2所示：有的发生在啮合螺纹的小端（图2a），有的发生在啮合螺纹大端（图2b），还有少数发生在啮合螺纹的中部（图2c）。上述螺纹黏结均属于3个等级中的严重黏结。

图2 螺纹发生黏结的位置

本文以C110钢级Φ139.7 mm×7.72 mm规格圆螺纹套管为对象，研究螺纹黏结发生在啮合螺纹大端、小端及中间位置情况，对接头连接强度的影响程度。

2 有限元模型的建立与验证

研究螺纹黏结对螺纹连接强度的影响，最可靠的方法是全尺寸试验法，即找到一批发生了不同类型螺纹黏结的套管，进行拉伸至失效试验。但试验很难收集到大量的具有典型螺纹黏结特征的样品，而且全尺寸试验费时费力，目前比较倾向于采用有限元法。采用有限元法分析套管接头的力学性能，主要涉及分析模型、计算程序、失效判据等技术问题，使得采用不同模型、不同程序、不同失效判据时结果有较大不同。因此，本文首先验证试验验证模型的可靠性，然后再利用验证过的模型进一步分析螺纹黏结对接头连接强度的影响。

针对C110钢级Φ139.7 mm×7.72 mm规格圆螺纹套管建模，模型参数采用实测几何尺寸和实测机械性能，根据接头结构和受力特点，将其按轴对称问题处理，选用的单元类型为轴对称三结点三角形实体单元，模型的有限元划分以及螺纹部分网格的局部细分如图3所示。

图3 接头的有限元模型网格划分

在接头的内壁和外壁粘贴应变片。测量接头在上扣、上扣+拉伸条件下的应变分布，以及接头的拉伸失效载荷，并与有限元结果进行比较。试验流程如下：①测量接头及螺纹外形尺寸；②测量接头材料的机械性能；③在接头内、外壁粘贴应变片，如图4所示；④上扣试验（上扣3圈，记录应变值）；⑤拉伸至失效试验（对上扣后的试样施加拉伸载荷1 500 kN，记录应变值，然后拉伸至失效，记录失效值）。

图4 应变片布置

上扣条件下接箍外壁的应变分布如图5所示。可见，上扣后套管接头的变形以环向变形为主（大部分位置都在1 000×10-6以上），轴向变形较小（大部分位置都接近于0）。在靠近螺纹大端的第2～3个应变片位置，接箍的变形最大，经分析变形主要是由于螺纹径向过盈产生的环向变形。从计算和试验检测对比可知，二者不论是分布规律还是数值大小，都是非常接近的。

图5 上扣条件下接箍外壁的应变分布

上扣条件下管体内壁的应变分布如图6所示。将图6与图5对比可知，上扣后管体内表面产生的应变值比较大，远大于接箍外表面的应变值；而且由于上扣后外螺纹受到内螺纹的压缩，外螺纹的环向应变均为负值，代表处于受压状态。

图6 上扣条件下管体外螺纹内壁的应变分布

接头上扣后继续施加1 500 kN的拉伸载荷，研究此时接箍外壁和管体内壁的应变变化，其中接箍外壁的应变分布如图7所示。比较图5和图7可知，施加拉伸载荷以后，接箍外壁的环向应变有所增大（最大环向应变增大了大约15%），原因是圆螺纹60°牙型角比较平缓，在拉伸载荷作用下承载面产生了较大的径向分力，使接箍胀大所致。与环向应变相比，轴向应变变化比较明显，这跟施加的是轴向拉伸载荷有关。总之，从图5～7可见，从应变的分布趋势看，计算结果与试验结果非常接近，说明通过有限元法可以准确地了解接头上的应力、应变分布情况。从具体数值上看，计算结果与试验结果有一定的差异，但差异不大，可以完全满足工程精度的要求。

图7 拉伸条件下接箍外壁的应变分布

最后对上述模型继续施加拉伸载荷，选择应变增量/载荷比率作为失效判据，接头在拉伸载荷为1 997.375 kN时发生螺纹脱扣失效。试验结果为2 113 kN，失效形式为接头滑脱。有限元法与试验结果相比，误差为5.49%，而且失效形式也完全一致，可见有限元分析结果的精度是足够的。

3 螺纹黏结对连接强度的影响分析

接头从手紧位置开始，上扣3圈达到机紧位置，此时参与啮合的螺纹共有22牙，对各个啮合螺纹牙从小端起进行编号，啮合螺纹牙编号如图8所示。

图8 啮合螺纹牙编号

利用上述有限元模型，首先计算接头拉伸失效前各个螺纹分担的轴向拉伸载荷，见表1。规定沿外螺纹接箍面向右为正方向。从计算结果可见，接头拉伸失效前，22牙螺纹共同分担了1 997.375 kN的拉伸载荷，但在这些螺纹中，各螺纹牙分担的力并不是均匀的，而是有很大的差距，靠近大端的第1、2牙螺纹（即图8中的第21、22号螺纹）分担的力最大，约占总载荷的26.4%，从第20号螺纹向前分担力均较小，尤其是靠近小端的1～7牙螺纹，这么多螺纹只分担了总载荷的15.9%。

表1 螺纹未发生黏结时各个啮合螺纹分担的力 N

因为各牙螺纹分担的载荷很不均匀，所以当处于不同位置的螺纹损坏，对接头连接强度的影响应该是不同的。因此，这里利用有限元法研究第1～3号、10～13号、20～22号螺纹分别发生黏结损坏，对接头连接强度的影响。

建立模型时，螺纹轻度黏结定义为：内螺纹完好，外螺纹承载面侧靠近齿顶处有一深度0.1 mm，宽度0.3 mm的凹坑（图9a）。中度黏结定义为：内螺纹完好，外螺纹同一位置的凹坑深度0.2 mm，宽度0.6 mm（图9b）。严重黏结定义为：内螺纹完好，外螺纹同一位置的凹坑深度0.8 mm，宽1.5 mm（图9c），此时外螺纹基本磨平。

图9 螺纹黏结模型示意

进行模拟分析时，首先假设螺纹发生了轻度黏结，且有3牙螺纹同时黏结，计算当这3牙螺纹处于不同位置（大端、小端和中部）时接头的连接强度值，然后再用同样的步骤和方法计算螺纹中度黏结和严重黏结的情况，计算结果见表2。

表2 不同黏结程度及黏结位置情况下螺纹的连接强度

可见，螺纹发生轻度黏结对接头连接强度的影响很小，不论螺纹黏结发生在啮合螺纹的大端、小端还是中部，对接头连接强度的削弱均不超过1.2%。经分析，这与螺纹的受力特点有关：在拉伸载荷作用下，各牙的螺纹受力并不均匀，部分螺纹牙削弱后改变了螺纹的受力分布，使得损坏螺纹所分担的力向临近的其他螺纹转移，使得接头连接强度并未显著降低。

当螺纹黏结程度加深，达到中度黏结水平，对接头连接强度的影响开始显现。此时，如果螺纹黏结发生在啮合螺纹的大端，接头连接强度下降6.9%；如果发生在小端，接头连接强度下降3.2%；如果发生在螺纹中部，接头连接强度下降4.8%。

当螺纹发生严重黏结，接头连接强度下降明显：若严重黏结位置位于啮合螺纹的大端，连接强度下降19.6%；若位于啮合螺纹的小端和中部，连接强度下降6.5%和8.2%。经分析，当螺纹发生严重黏结，外螺纹基本上被磨平，螺纹黏结的3牙螺纹完全失去承载能力，因此对接头连接强度造成了显著影响。特别是当大端的3牙螺纹完全不能承受载荷以后，承载最大的第21、22号啮合螺纹向小端方向转移，由于螺纹具有1∶16的锥度，转移后螺纹所在基体的厚度显著减薄，即危险截面面积变小，对接头连接强度的影响最大，使接头连接强度降低了19.6%。

4 结 论

（1）建立了圆螺纹套管接头应力分析的有限元模型，计算了接箍外壁和管体内壁的应变大小及分布规律，并在相应位置粘贴应变片，实际测量了应变的具体数值，将试验结果用于有限元建模，保证了分析模型的可靠性。

（2）利用有限元模型，研究了螺纹轻度黏结、中度黏结和严重黏结对圆螺纹套管接头连接强度的影响。有限元分析结果表明，螺纹轻度黏结对接头连接影响不明显；螺纹中度黏结若发生在啮合螺纹的大端，会使连接强度降低5%左右；螺纹发生严重黏结时，接头连接强度下降明显。若螺纹严重黏结位置位于啮合螺纹的大端，连接强度下降约20%；若位于啮合螺纹的小端和中部，连接强度下降6%～8%。

（3）油田使用圆螺纹套管时，若螺纹发生轻度黏结，经修复后可以继续使用，修复的目的是去掉毛刺，防止上扣时黏结进一步加剧；若发生中度或严重黏结，且螺纹黏结位置在啮合螺纹大端，应停止使用并更换新的接头。