新型气密封特殊螺纹接头抗旋转弯曲疲劳试验研究*

0 引 言

油管柱和套管柱是大量油套管通过螺纹连接在一起并具有一定承受高温、 高压、 拉伸、 压缩、 弯曲等载荷能力， 长度几千米到一万米的专用采输系统

。 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

， 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

。 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， 其应用范围在不断扩大

。特殊螺纹接头广泛应用于高温、 高压、 高腐蚀气井。

螺纹接头失效占油套管失效的90%。 油套管工况载荷有3 大类， 即静态载荷、 动态载荷和热载荷。 静态载荷是指长期存在的轴向压缩、 拉伸、 内压、 外压以及弯曲； 动态载荷是指生产采气过程中振动疲劳载荷； 热载荷是指热胀冷缩产生的拉压交变载荷以及高温材料性能退化对承载能力的影响

。 2017 年发布的API RP 5C5： 2017 《套管和油管接头试验程序推荐作法》

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， 主要针对井下长期的静态和高温热载荷， 分别开展基于材料室温和高温 （180 ℃） 的包络线载荷检验螺纹静态载荷交变和温度交变热载荷螺纹连接完整性评价。 但是通过API RP 5C5 标准试验检测评价的气密封螺纹连接， 在井下使用过程中仍然发生多起螺纹失效断裂事故， 国内某高温高压气田已发生189 井次的油管弯曲变形、 断掉落井、 腐蚀碎块等事故， 造成直接经济损失达6.62 亿元人民币。 分析发现， 管柱螺纹断裂失效占事故的87%以上

。 因此， API针对水力压裂井的特定载荷发布了API TR 5SF《Guidelines for Evaluation Casing Connection Performance in Multi-fractured Horizontal Wells》

标准， 创建了各种试验程序， 并提供可从试验程序中派生的定制试验程序的相关示例。

水平井下入过程采用旋转下套管可以降低管柱摩阻和预防套管屈曲变形。 在建井过程中， 大位移井的长水平段可能需要旋转生产套管（或中间套管）， 并将其推至曲率相对较高的建井段（大于10°/30 m）； 此外， 一些操作人员在固井过程中旋转套管以提高 （固井） 质量

。 这种旋转会使固井段中的套管接头承受大量旋转-弯曲疲劳循环载荷， 疲劳循环载荷会导致套管接头螺纹根部产生高应力， 造成疲劳损伤和潜在的结构失效， 从而对后续油井作业中的管柱接头的密封和结构能力产生影响

。 因此， 需要开展套管特殊螺纹共振弯曲疲劳试验研究。

1 研究方法

为研究新型气密封特殊螺纹接头抗旋转弯曲疲劳性能， 采用页岩气开发用Φ139.7 mm×12.7 mm P110T 套管， 参考API 5C5： 2017 及API TR 5SF标准进行共振旋转弯曲疲劳试验， 评价在弯曲疲劳振动载荷下螺纹的抗疲劳断裂结构完整性和螺纹抗泄漏密封完整性。

国际数学教育大会（ICME）是代表数学教育界最高水平的学术会议，也是世界各国数学教育最新进展和成果的展示、交流平台，迄今为止已召开了13届．经过中国数学教育工作者的不懈努力，华东师范大学获得2020年ICME-14的举办权，这是国际数学教育大会首次在中国举办．以此为契机，西南大学将承办ICME-14少数民族数学教育卫星会议，旨在让世界各国研究者相互交流本国民族数学教育问题，分享民族数学教育中的特色、经验，探讨民族数学教育发展的路径，目前会议正在紧锣密鼓的筹备中．

1.1 试验装置

江阴市水利信息化以“一个中心、一个平台、一张地图、一张网络、一套保障机制”的创新思路，采用国内外先进信息技术，统一技术架构和标准规范，建成信息采集与控制系统、通信网络与安全系统、资源共享服务平台、综合业务应用平台和防汛防旱会商中心“五大”工程，实现了所有业务管理一个平台完成、一张地图显示，提高了水利信息化水平。

响应时间为10 ms的时间。完整模型控制器的结构框图为7所示，需要注意的是控制器包含参考输入的一个具有微分作用的前馈环节。参考信号为正弦信号，并且可以通过解析形式推导出来。三相LC滤波器作为电压源的一部分，其参数应该保持大致稳定，变化的幅度不应过大，滤波器的参数需要符合稳定的条件。反之，负载则认为可能产生非常大的变化，当其参数在大范围进行变化而不影响系统的性能时，则可认为系统具有很好的鲁棒性。

1.2 试样设计

共振弯曲疲劳试验之前对试样进行静水压密封测试， 对1

、 2

试样额定压力（60±0.6） MPa， 保压15 min， 压降不超过3%， 未出现任何可见渗漏， 静水压试验曲线如图5 所示。

其中， 二次、 三次的弯曲振动模态相应的固有频率太高， 不满足试验要求。 一次弯曲模态是本疲劳试验中试样的目标振型， 对应固有频率为3.33 Hz， 满足试验要求。

1.3 确定试样支撑跨距及应变片位置

采用高速动态应变片监测应变数据， 应变片型号为HBM 公司的K-CLY41-6/120。 分别在接箍中心截面及两侧粘贴应变片， 具体位置如图2所示。

粘贴应变片之前再次确认试样牢靠连接激振装置， 校验支撑跨距， 确认激振装置与试样同轴度， 将传动轴与激振装置连接并保证水平度、 同轴度和紧固性良好。

试样支撑点应选在一次弯曲共振形态时中心轴振幅为0 的位置， 从图1 （a） 可以看出， 当试样发生1 次弯曲振动时， 试样上的两个零位移点以试件中截面对称， 相距约9 000 mm， 由此确定试样的初步支撑跨距为9 000 mm， 现场试验时， 根据实际情况进行调整后确定试样的支撑跨距为8 760 mm。

特殊螺纹套管疲劳试验在共振弯曲疲劳试验装置上进行。 该装置用于全尺寸海洋立管主体、对接环焊缝及各类型接头在弯曲疲劳载荷工况下疲劳寿命测试， 其加载频率高， 1 个小时最多可实现10 万次以上的应力加载循环， 并且在管材每一个横截面的周向任意点均能达到相同幅值的交变弯曲应力。 试验装置主要参数配置见表1。

试样上5 个截面共布置20 个应变片， 每个横截面布置4 个应变片， 间隔90°环向均布。 每个应变片的引线固定在试样表面， 以避免引线损伤，干扰信号采集。 粘贴应变片现场照片如图3所示。

1.4 确定旋转弯曲疲劳次数

水平井旋转下套管过程中， 假设水平段长度5 000 m， 每下1 根10 m 套管用时5 min， 每分钟旋转12 次， 完成整个作业套管接头共计承受旋转载荷30 000 次， 本试验采用5 万次和10 万次疲劳次数进行检验， 检测特殊螺纹抗旋转弯曲疲劳性能和密封性能。 同时， 与API TR 5SF 标准对比，试验考虑压裂密封的完整性， 采用弯曲疲劳+高内压（60 MPa） 的试验载荷检验特殊螺纹振动疲劳密封完整性， 体现出采用更长密封结构和螺纹结构的新型特殊螺纹结构， 在抗疲劳试验评价中具有良好的抗疲劳振动性能。

2 试验方法与结果分析

2.1 试验方法

试验依据API 5C5： 2017 及API TR 5SF 标准， 分别对2 根试样进行共振弯曲疲劳试验， 试验技术要求见表2。 其中， 振幅A 根据式 （1）、式 （2） 计算， 弯曲应力σ

根据式 （3） 计算，弯曲应变ε 根据式 （4） 计算。 当试样出现穿透裂纹或刺漏时， 认定试样失效， 中止试验。

式中： R——管体轴线的曲率半径， m；

任何学生都有着自己独一无二的不同成长背景和生活环境，自然个性和爱好也不一样。作为体育老师应当接受学生的这种差异性，并在充分尊重的基础上来适当的调整。让学生可以自由选出自己喜欢的运动内容，如此将有助于学生提高体育锻炼的积极性，学生才会主动起来。例如，当进行体育与健康课的室外活动时，老师不妨使用自由学习的办法，也就是由老师引导学生进行相关的热身运动以确保安全，再根据各个学生的不同情况进行分组来做自由运动锻炼，使学生可以增加体育运动热情，逐渐养成终身锻炼的习惯。这种教学方法可以进行如下施行：

D

——弯曲度（狗腿度）， 取20°/30 m；

A——振幅， m；

2016年企业营销投入的参数θ2=-8.31，即在其他条件不变的情况下，营销费用每增加1万元，主营业务利润减少8.31万元。P值为0.050，在10%的显著性水平下，表明2016年的企业营销投入对于2017年的主营业务利润有显著影响。

D——试样外径， 单位mm；

E——弹性模量， 取2.06×10

MPa。

X——试样跨距， m， 取8.76 m；

t——试样壁厚， mm；

ε——弯曲应变；

σ

——弯曲应力， MPa；

试样加载平均交变应力范围应达到±170 MPa，在内水压和交变应力载荷的共同作用下， 得到试样中截面外圆任一点的理论加载曲线如图4 所示， 试验过程中通过应变进行监测。

2.2 结果分析

按照特殊螺纹套管疲劳试样结构尺寸建立有限元模型进行模态分析。 由于试验时内腔充满水， 模态分析中对试样、 激振端夹具、 配重、 试样内水的质量作为一个系统来考虑， 经过模态有限元计算可以得出该试样的三次弯曲振动模态，如图1 所示。

在本届世界互联网大会的创新领先成果展中，百度将“Apollo自动驾驶开放平台”带上舞台，联合戴普勒、福特、沃尔沃等汽车企业，用多年积累的AI技术连接信息出行。事实上，在此次世界互联网大会期间，名为Roadstar.ai的无人驾驶汽车已经开始服役，参会人员、媒体记者与公众可以在接驳区域的任意地点搭乘Roadstar.ai，实现从任意起点到终点的旅程。人们在乌镇，试享AI带来的未来之妙。

绿通治理APP通过移动终端的NFC读取通行卡内的信息，通过调用在线密钥对信息进行解密，可将入口车牌号、入口车型和入口收费站等信息直接显示在APP上，减少绿通治理人员在绿通检查取证过程中的信息录入量，在一定程度上提高绿通检查的效率。

共振弯曲疲劳试验过程全程监控， 1

试样交变应力的实际加载历程如图6 所示， 为标准的正余弦曲线， 包含20 个应变片的实时监测值， 最大应变值为1 799.93 με。 测得的实际加载历程和图5中的理论加载曲线基本一致， 只是在实际试验中，水压加载至60.55 MPa 保压之后， 对所有20 个通道的应变都进行了调零， 因此图6 中的应变基线为0。 实际加载的交变应力频率为3.11 Hz， 幅频曲线如图7 所示， 频率接近试样的1 次弯曲固有频率。 试验中加载频率越接近试样固有频率， 振动就越激烈， 弯曲应力幅值就越大， 当应力幅值达到试验要求时， 就没有必要再提高加载频率了。 振幅最大处达到91 mm， 满足试验技术要求。

2

试样交变应力的实际加载历程曲线为标准的正余弦曲线， 最大应变值为1 833.5 με。 测得实际加载历程和图5 中理论加载曲线基本一致， 只是在实际试验中， 水压加载至0.5 MPa 保压之后，对所有20 个通道的应变都进行了调零， 因此应变基线为0。 实际加载的交变应力频率为3.11 Hz，振幅最大处达到91 mm， 满足试验技术要求。

“凌晨1点15分，护士呼叫我，我迅速赶到病房。顾阿婆出现心跳骤停，严重休克的症状，在10秒钟内我试图感觉她的脉搏，但无反应，无呼吸，立即放置导气管，开始按压循环。根据她的脉搏和循环体征，我判断是由于心律失常引起的突发虚脱，我使用体外除颤仪，仍无反应。死亡时间为1点44分。”我递给她以清水沾湿的手帕，她没有伸手接，阳光穿过窗户照进来，她的眼眸苍白如水。她眨眨眼睛，轻轻抹去泪水，也许是强光刺激，或是情绪波动，神情有些恍惚。

3 结 论

（1） 针对非常规油气开发井下特殊工况要求， 参考API TR 5SF， 制定出超长水平井生产套管用螺纹连接试验评价程序和方法。

（2） 与API TR 5SF 标准对比， 试验考虑压裂密封完整性， 采用弯曲疲劳+高内压（60 MPa） 检验特殊螺纹振动疲劳密封完整性， 体现出采用更长密封结构和螺纹结构的新型特殊螺纹结构， 在抗疲劳试验评价中具有良好的抗疲劳振动性能。

（3） 经试验评价的螺纹连接套管在页岩气井实现应用， 井深4 560 m， 水平段长1 500 m， 压裂17 段后， 未发生泄露和开裂， 取得良好效果。

[1] 白鹤，何石磊，党涛，等. 我国油套管特殊螺纹接头研究现状分析[J]. 焊管，2011，34（11）：30-34.

[2] 陈玉鹏，杨腾飞，闫龙，等.基于ISO 12835 TP-TW 套管特殊螺纹接头有限元分析[J].石油管材与仪器，2021，7（3）：67-72.

[3] 郭伟，崔卫民，何勃，等. Sealing reliability and sensitivity analysis for a premium threaded connection based on Kriging model[J]. Journal of Donghua University（English Edition），2016，33（5）：791-796.

[4] SCHES C，CARON O，DEKERVEL A. Development and validation with testing of a high strength steel fatigue resistant threaded & coupled premium connectors product line for outer production riser and single barrier riser applications in deepwater and ultra deepwater[J]. Journal of Health Organization & Management，2011，26 （6）：176-186.

[5] 许红林，杨斌，张智，等. 油套管特殊螺纹球面对锥面密封结构的弹塑性接触应力分析[J]. 应用力学学报，2021，38（3）：1258-1263.

[6] 高连新，马超. 双台肩高抗扭特殊螺纹接头开发[J]. 石油管材与仪器，2021，7（3）：73-77，81.

[7] 李远征，苑清英，周新义，等. BJC-Ⅱ型气密封特殊螺纹开发[J]. 焊管，2021，44（5）：1-8，13.

[8] 胡志立，李建亮，吴丹，等. 一种高气密封油套管特殊扣的研发[J]. 焊管，2021，44（6）：24-30.

[9] 王建东，李玉飞，汪传磊，等. 油套管用特殊螺纹连接密封完整性探讨[J]. 钢管，2021，50（3）：19-25.

[10] 美国石油学会. 套管和油管接头评价程序推荐作法，API RP 5C5[S]. 华盛顿，美国：美国石油学会出版业务部，2017.

[11] 狄勤丰，王楠，陈锋，等. 磨损套管螺纹接头密封面力学特性[J]. 石油学报，2021，42（5）：669-676.

[12] 冯耀荣，李鹤林，徐婷，等. 我国油井管标准化技术进展及展望[J]. 石油管材与仪器，2021，7（3）：1-6.

[13] 毕宗岳，李远征，何石，等. 页岩气井用高性能SEW Q125 套管研制[J]. 钢管，2021，50（2）：38-41.

[14] 美国石油学会. 多级压裂水平井套管螺纹连接性能评估指南，API TR 5SF[S]. 华盛顿，美国：美国石油学会出版业务部，2019.

[15] 王耀锋，樊春明，侯晓东，等. 海洋立管全尺寸共振疲劳试验机理研究与应用[J].石油机械，2017，45（12）：38-42.

[16] CAO Z，ZHANG F，ZHANG D，et al. Failure mechanisms of bolted flanges in aero-engine casings subjected to impact loading [J]. Chinese Journal of Aeronautics，2021，34（12）：125-144.

[17] 徐凯，唐家睿，杨晓龙，等. 特殊螺纹接头螺纹根部微动疲劳探究[J]. 焊管，2020，43（9）：60-68.