一种非API规格套管高性能特殊螺纹接头的设计开发

2022-08-11吕春莉骆敬辉陈玉鹏

石油管材与仪器 2022年4期

吕春莉，骆敬辉，陈玉鹏

(天津钢管制造有限公司天津 300301)

0 引言

随着油田油气井的井况越来越复杂，以塔里木油田、中石化西北以及四川地区油田区块为代表的高温高压气井、高含硫化氢腐蚀气井等对套管的使用性能提出了更高要求[1-3]。同时随着井况结构的复杂性，对非API规格的高性能特殊螺纹接头套管产品的需求也越来越多。非API规格套管是指不按照或不完全按照API标准生产、检验的一类套管，是制造厂家根据用户的要求，或为了满足某些特殊使用要求而生产的个性化产品[4]。对此处设计的非API规格的高性能特殊螺纹接头套管，在设计特殊扣时，其接头性能指标明显高于API标准接头，在拉伸效率、压缩效率、内压效率和外压效率能达到等同于管体的使用性能。

结合油田的实际需求，设计开发了Φ200.03 mm×10.92 mm 钢级为110ksi这一非API规格的高性能特殊螺纹接头。通过有限元分析及全尺寸评价试验方法，对特殊螺纹接头的结构及密封等性能进行了全方位的评估确认。

1 非API规格套管高性能特殊螺纹接头的结构

该特殊螺纹接头主要由3部分组成：螺纹部分、密封面部分、止扭矩台肩。螺纹连接效率及接箍连接效率均按照大于管体100%设计，有效保证了接头的承载安全性，如图1所示。

图1 高性能特殊螺纹接头示意图

1.1 螺纹齿形

螺纹采用负角度的勾形螺纹连接，负角度的承载侧角度能够显著降低公母端径向分离的趋势，提高接头抗拉伸和抗弯曲的能力，在拉伸和弯曲下具有优秀的结构完整性，特别适用于深井、大位移井和水平井。螺纹齿底与齿顶采用平行于管子轴线的结构设计，更容易对扣、不易错扣。另一方面，在螺纹的细节设计上，针对螺纹齿顶单一过渡圆角的设计，为了降低对扣与脱扣时的磕碰敏感性，将其设计为以倒角为主的三段式渐缓过渡，螺纹对扣与脱扣时，齿顶与齿侧圆角的直接接触变成了圆角与锥面的接触，有效降低了接触应力。

1.2 密封面

采用特殊优化的锥对锥金属主密封结构设计，充分保证了密封面的结构刚度，最大限度提高接头的抗过扭能力，保证接头的抗压缩能力能达到管体屈服强度的100%。同时多次上卸扣之后，仍然具备良好的气密封性能。采用前后差异化的密封过盈量设计，保证了主密封的充分接触。在接触摩擦抗粘扣的同时，保证在复合载荷下优异的气密封能力，另一方面，辅助密封在大扭矩时实现接触，能够提高接头的抗过扭能力。

1.3 止扭矩台肩

接箍中部带有负角度止扭矩台肩，在拧接上扣过程中，能够提供精确的拧接定位。负角度台肩与密封面构成的“楔形效应”加强金属对金属密封面的密封能力。

1.4 内孔齐平

接箍与管体的中孔内表面采用齐平设计，能有效减少气体流动时在不平滑表面产生的气蚀现象，提高了接头的抗腐蚀能力。

1.5 接箍设计

接头连接效率大于100%，并且接箍危险截面积大于管体危险截面积。接箍覆盖管体消失螺纹，进一步提高接头连接强度。采用合理的中孔长度设计，有效消除了工厂端拧接对现场端结构参数的影响。

2 非API规格套管高性能特殊螺纹接头的有限元计算分析

2.1 建立模型

对该规格的特殊螺纹接头进行有限元分析。根据套管接头的结构和受力特点，有限元分析模拟分析采用二维轴对称模型，忽略螺旋升角，且将接箍中面处理为对称面，该截面内各点只有径向位移自由度[5]。同时由于套管接头的材料为低合金钢，因此视为各向同性材料。有限元分析采用弹塑性材料模型，数据基于110ksi钢级套管实测拉伸性能，所需材料参数包含弹性模量、热膨胀系数、真应力与真应变数据。

根据API RP 5C5:2017要求，最小无支撑短节长度Lpj用式(1)计算：

(1)

式(1)中：D=200.03 mm，t=10.92 mm。

按此规格计算后得到Lpj≥480.45mm，模型取从接箍中性面至管端，最终确定模型总长度为505.45 mm。

2.2 网格划分

采用非线性有限元软件ABAQUS进行建模和分析，选择合理的网格尺寸进行网格划分[6-7]。模型网格基本尺寸为 1 mm，同时螺纹、密封面、扭矩台肩部位需进行网格细化，密封面网格尺寸可设定为 0.1～0.2 mm 。单元类型为CAX4。模型的有限元划分以及密封面和螺纹部分的网格细化，如图2所示。

图2 有限元模型网格划分

2.3 载荷及边界条件

根据API RP 5C5:2017试验标准要求，特殊螺纹接头承受的载荷类型包含拉伸、压缩、内压、外压等[8]。试验载荷根据套管名义外径、壁厚及实测材料屈服强度计算。

有限元模型为轴对称模型，且只包含半个接箍，因此，在接箍中间部位施加对称边界条件，只对节点的轴向位移进行限制。本次分析中载荷的施加方式，如图3所示。

图3 试验载荷施加方式

2.4 结果分析

对于高性能特殊螺纹接头，密封性是其最重要的性能要求，目前通过有限元分析来评价特殊扣接头密封性能的主要参数为密封强度。密封强度的定义为密封面接触应力密封面有效接触长度上的积分。根据API RP 5C5:2017要求，选择公差配合形式XH-XL、PSBF 作为分析模型，同时按规定最小扭矩进行上扣。有限元计算的接头上扣扭矩取决于公母端螺纹、密封面、台肩的过盈量及摩擦系数，过盈量大小决定了节点上接触力的大小。

规格为Φ200.03 mm×10.92 mm，钢级为110ksi的高性能特殊螺纹接头在上扣状态下的应力应变分布情况，如图4所示。分析结果表明，该特殊螺纹接头的应力应变分布合理，整体应力水平较低，没有明显的应力集中现象，分析得出其具有良好的抗粘扣性能，满足接头设计要求。

图4 上扣状态应力应变云图

根据API RP 5C5:2017接头评价试验标准求，A系试验涉及载荷类型包含拉伸、压缩、内压和外压。因此分析该规格的特殊螺纹接头在室温和高温下载荷点的密封强度如图5所示，还有在室温四象限载荷循环(95% CEE)和在高温四象限载荷循环(90% CEE)下的密封面接触压力，如图6～图7所示。

图5 密封强度分析

图6 高温四象限载荷循环下的密封面接触压力分布

图7 室温四象限载荷循环下的密封面接触压力分布

由图5～图7可见，该特殊螺纹接头在A系各载荷点情况下，密封面保持了较高的接触压力，密封面的密封强度足够，密封强度变化很小，稳定性优异，密封效果好，满足高性能特殊螺纹接头的设计要求。

规格为Φ200.03 mm×10.92 mm，钢级为110 ksi的高性能特殊螺纹接头的有限元模拟分析结果，可作为实物试验的补充验证，并为下一步开展的实物评价试验提供有效理论支撑。

3 全尺寸实物评价试验

全尺寸实物评价试验是检验规格为Φ200.03 mm×10.92 mm，钢级为110ksi的高性能特殊螺纹接头设计开发的关键环节，该特殊螺纹接头严格按照API RP 5C5:2017 CAL IV标准试验条件[9-10]进行上卸扣抗粘扣试验和气密封复合力试验。

3.1 上卸扣试验

抗粘扣上卸扣次数：根据API RP 5C5:2017标准要求的套管特殊螺纹接头的抗粘扣试验次数为3上2卸。接箍抗粘扣处理方式：采用磷化处理。螺纹脂类型：采用符合API RP 5A3标准要求的螺纹脂。

该规格特殊螺纹接头经过3上2卸后的拧接形貌，如图8(5#试样的A端和B端)所示：公母螺纹扣型都完好，未发生螺纹部分和密封面部分的粘扣现象，满足抗粘扣试验要求。

图8 上卸扣试验

3.2 复合力载荷架气密封试验

根据API RP 5C5:2017 CAL IV评价试验要求，加工试验样品1#～5#，进行上卸扣，进行A系+B系+C系试验，来完成复合载荷架的气密封能力试验，最后进行极限载荷试验，试验结果如图9～图11所示(以1#试样部分试验记录为例，VME指Mises等效应力)。

图9 B系试验

图10 C系试验

图11 A系试验

整个复合力试验过程中，顺利完成1#～4#试样的A系、B系和C系实验，满足标准规定的气密封压力要求，未发生泄漏，未发生结构失效。试验载荷包络线(TLE)最大达到了管体屈服的95%，接头拉伸效率等于管体的100%，接头压缩效率等于管体的100%，接头内压效率等于管体100%，接头外压效率等于管体100%，狗腿度为20°/304.8 m。规格为200.03 mm×10.92 mm 钢级为110 ksi的高性能特殊螺纹接头通过API RP 5C5:2017 CAL IV评价试验要求，满足密封完整性。