石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法.pdf

2 0 1 5 年 4月 第 4 0卷 第 4期 润滑与密封 L UBRI CAT I ON ENGI NEERI NG Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 0 No ． 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 4 石 油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法 、李连进 彭羽 李牧 1 ． 天津商业大学机 械工程学 院天津 3 0 0 1 3 4 ； 2 ． 天津钢铁集 团有限公 司规划部天津 3 0 0 3 0 1 摘要 A P I 标准石油套管螺纹接头 由于结构设计缺陷 ，其密封性能不能满足高温高压的使用需要。提出锥 面与圆 弧面配合 的特殊螺纹接头密封结构形式 ，采用具有辅助密封效果 的倒钩抗扭矩 台肩 ，通过优化选取密封面的锥度 、长度 及过盈量 ，严格控制密封面的接触压力 ，保证结构具有 良好 的密封性能。全尺寸评价实验结果表明 ．该接头的密封性能 达到了使用要求，说明确定的特殊螺纹密封设计方法是可行的。 关键词 特殊螺纹接头 ；接触压力 ；密封性能 ；全尺寸实验 中图分类号T B 4 2 文献标志码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 5 4 1 0 6 4 De s i g n M e t ho d o f S e a l S t r uc t ur e o f Pr e m i u m Thr e a d e d Ca s i n g Co n ne c t i o n s L i L i a n j i n P e n fl Yu 。 L i Mu 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T i a n j i n U n i v e r s i t y o f C o mme r c e ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 4，C h i n a ； 2 ．P l a n n i n g De p a r t me n t ，T i a n j i n I r o n a n d S t e e l G r o u p C o ． ， L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t API S t a n d a r d t h r e a d e d c a s i n g c o n n e c t i o n s c a n’ t me e t t h e a p p l i c a t i o n d e ma n d s o f s e a l i n g p r o p e r t y u n d e r t h e h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e o n a c c o u n t o f t h e s t r u c t u r e d e s i g n d e f e c t ．T h e s e a l s t r u c t u r e o f p r e mi u m t h r e a d e d c o n n e c t i o n s o f t h e ma t c h i n g o f a r c s u rfa c e a n d c o n i c a l s u rfa c e wa s p r o p o s e d，wh i c h a d o p t e d b a r b a n t i t o r q u e s h o u l d e r o f a u x i l - i a r y s e a l e f f e c t ． Th e s e a ]p r o p e rty o f s t ru c t u r e c a n b e i mp r o v e d b y s t r i c t l y c o n t r o l o f t h e c o n t a c t p r e s s u r e o f s e a l i n g f a c e， a n d o p t i ma l s e l e c t i o n o f t a p e r ，s t r e n g t h，i n t e rfe r e n c e o f s e a l i n g f a c e ． Th e r e s u l t o f f u l l - s c ale t e s t s h o ws t h a t t h e me t h o d o f d e s i g ni n g p r e mi u m t h r e a d e d s e a l i s f e a s i b l e a n d t h e d e s i g n e d t h r e a d e d c a s i n g c o n n e c t i o n s me e t t h e a p p l i c a t i o n r e q u i r e - me n t s o f s e a l i n g p r o p e r t y ． Ke y wo r ds p r e mi u m c o n n e c t i o n； c o n t a c t p r e s s u r e； s e a l p r o p e r t y； f u l l s c a l e t e s t 随着石油资源的 日益紧缺 ，国内外油 田企业逐步 转向海上和地下深层开采，而高温 、高压以及环保等 自然条件对螺纹密封 的要求也越来 越高 ] ，这使 得 现在 国内外油 田广 泛使 用 的系列 规 范化 的 A P I 标 准 石油套管不能满足密封 的需要 l 3 ] ，表 现为套管 螺纹 出现磨损及塑性变形或断裂等问题 。导致套管螺纹接 头早期失效 _ 5 ] ，要求企业必 须选择其 他 的石油 套管 螺纹密封 接 头形式 。 目前 ，有 许 多关 于 A P I 标 准螺 纹的研究成果。而高温和高压情况下使用的特殊螺纹 设计方面 的研究成果较为少见。为此 ，本文作者改进 单纯依靠螺纹过盈配合与螺纹脂封堵实现密封的 A P I 收稿日期 2 0 1 4 0 6 0 5 作者简介李连进 1 9 6 O 一 ，男 ，博士 ，教授 ，研究方向为石 油套管设计制造技术及方法、金属密封技术与方法 、制造过程 仿真计算 ． E m a i l l i l i a n j i n 1 6 3 ． c o rn． 螺纹 ，通过采用改进接头的锥面结构 、扭 矩台肩 、制 造误差 等措施 ．利用金属与金属的过盈配合及连接扭 矩控制接触压力 ，保证结构和密封的完整性 ，这对 提 高石油套管接头 的密封性能具有重要意义 。 1 特殊 螺纹接头密封结构及原理 石油套管螺纹标 准牙形 的轴 向剖 面如 图 1所 示。图 1中 日为原始螺纹牙高度 ， P为螺距 ，h 为螺纹 牙顶削平 高度 ，h h 为 螺纹 牙根 削平 高 度，h h 为螺纹牙高度。螺纹拧紧后 ，在螺纹牙 顶和牙底处分别存在有间隙，形成沿螺纹牙顶和牙 底 的螺旋 线形渗漏 通道 ．严 重影 响 了螺纹 的 密封性 能 。一般 A P I 圆螺 纹的 间隙值高达 0 0 7 6 m m。这 一 螺纹齿顶和齿底之间存在螺旋形泄漏通道是螺纹设 计 的固有 缺 陷 ，它 与 石 油套 管 螺 纹 加 工公 差无 关 。 A P I 标 准螺纹 只有 使用 螺 纹脂 充填 该 通 道 ，才 能堵 塞这一泄 漏通道 。 2 0 1 5年第 4期 李连进等 石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法 1 0 7 图 1 石油管螺纹标准牙形 ， Fi g 1 S t a n da r d t h r e a d f o r m o f c a s i n g s c o n n e c t i o n 特殊螺纹 克服了 A P I 标准螺 纹设计 的固有缺 陷 ， 使密封能得到显著改善。目前广泛采用的特殊螺纹密 封结构如图2所示 ，套管接头分为螺纹 、抗过扭矩台 肩和密封结构 面三部分 。螺纹采用偏梯形螺纹 ，具有 连接强度高和不易滑脱的优点，起联结和辅助密封作 用；密封结构面采用锥面与带有圆弧的锥面的过盈配 合 ，起到主密封作用 ；抗过扭矩 台肩 防止套管上扣 时 的过扭矩。起辅助密封作用。这种特殊螺纹接头结构 将螺纹脂充填密封改为接触式密封 ，使套管的气密性 能得到显著改善 。 密封面 联结螺纹 接头 抗过扭矩台肩 退刀槽 管体 图 2 特殊螺纹密封结构 F i g 2 Se a l s t r u c t u r e o f p r e mi um c o n n e c t i o n 套 管接头的管体与接头是相对静止 的．密封 的条 件是要求 接触压 力大于内部流体的压力 ，提高密封效 果 的有力 手段是 提高接触 压力 和增加 流体 泄漏路 径 。 但实 际加工过程 中的几 何形状 误差和表面粗糙度等原 因 ，难于获得完全光滑 的接触表 面 ；另外载荷 的变动 势必会造成接触 面压力 的变化 ，这都会增 大接触面的 间隙而增加泄漏量 。 基于流体力 学 ，流体 流经 间隙时产生的阻力与间 隙 的长度成正 比 ，而与截 面积成反 比 。即 AF A I ／ S 1 式 中 △ Z 为泄漏间隙的长度 ； S为泄漏 间隙 的截面积 。 由式 1 可见 ，要提高套 管接头 的密封 性能 主 要有 以下 4 种方法 一是增加接 触压 力 。减小 泄漏间 隙的截面积；二是增加管体与接头的接触长度，使泄 漏间隙的长度增加 ；三是提高加工精度 。以减小接触 表面粗糙度和几何形状误差四是控制轴向载荷的变 动范围 ．保 持获得 必要的接触压力 。 2 石油套 管特殊螺纹接头的结构设计 2 ． 1 密封 结构设计 国内外 有许 多种类 的特殊螺纹密封结构 ，但 目前 主要有锥面／ 锥面、锥面／ 球面、柱面／ 球面等密封形 式 ，如图 3 所示 【 。 内螺纹 内螺纹 内螺纹 匿匿匿 外螺纹 外螺纹 外螺纹 a 锥面， 锥面 b 】 锥面臁 面 c 柱面朦 面 图 3 特殊螺纹的主要密封结构形式 Fi g 3 Ma i n s e a l s t r u c t ur e for ms o f p r e mi u m c o n n e c t i o n 图 3中 ，锥面／ 锥面密 封结构 有较 长 的流体 泄漏 路径 ，有利于提高密封效果 ，但表面粗糙度 、尺寸精 度及锥度误差等会使接触面大为减小 ，这在实 际制造 上有较大的 困难 ；锥 面／ 球 面 的密封结 构要 求 内外螺 纹之间有较大 的拧 紧力 。使球 面产 生较大 的变 形量 ． 保证 套管受拉时也有足够 的接触压力 ，以获得足够的 接触压力和流体泄漏路径 ；柱面／ 球面密封结构要求 柱面与球面有较大的装配过盈量。以保证足够的接触 压力和流体泄漏路径 ，以获得较好的密封效果 。 但这些方法在设计时都没有考虑各参数对接触应力 的综合影响，在使用过程中容易出现黏扣和接触不良， 影响产品质量。本文作者提出的设计方案如图4 所示。 内螺纹 一 l 5 。反向台肩 外螺纹 图 4 设计的特殊螺纹接头密封结构 Fi g 4 T he d e s i g n e d s e a l s t r u c t u r e f o r ms 1 0 8 润 滑与密封 第 4 0卷 密封结构采用锥面与带有 圆弧 的锥面配合 。套管 带有外螺纹，接头带有内螺纹。将密封圆弧设计在接 头 的内部 ，这样在使用过程 中不易划伤圆弧面 ，同时 避开与现有专利技术 的冲突 ，并通过控制连接扭矩避 免接触应力产生黏扣和接触不 良。 2 ． 2密封面锥度 石油套管螺纹接头相当于薄壁圆筒的过盈配合， 圆筒接触面锥度的选择应使其有较高的接触压力，以 提高密封性能。当主密封 的锥形面和辅助密封的台肩 都有过盈量存在时 ．在锥度减小到 1 ／ 8之后 ，接 头接 触 面的等效应力较大 ，会超过 材料 的屈服极 限，在密 封面产生塑性变形，使接触压力下降 ；而在锥度大于 1 ／ 1 2 之后 ，接头 接触 面 的等 效应 力减 小 ，使 接触 压 力下降。由此可见，密封面的锥度过大或过小都不利 于 接 头 密 封 ， 密 封 面 锥 度 的 最 佳 取 值 范 围 为 1 ／ 8 1 ／ 1 2 。本文设计方案取密封面锥度 为 1 ／ 1 0 。 2 ． 3 主 密封 面长度 接头 的密封要求有较长的密封长度 ，以增加泄漏 路 径的长度 。当锥形接触密封面的长 度较短 时 ，较小 的接触 面积使接触 压力较 高 ，但 有效接 触长度 较短 ， 导致泄漏路径短 当锥 形接触密 封面 的长度增 加 时 ， 接触压力 降低 ，但有效接触长度增加。当锥形接触密 封 面的长度超过 8 m m后 ，有效接触 长度基本不 再增 加 ．保持在 2 ． 4 m m左右。同时 ，锥度变 化对 密封面 上的有效 接触长度影 响不大 。为此 ，本文设计方案取 锥 形接触 密封 面的接触长度为 9 m m。 2 ． 4 锥 面圆弧的 变形量 套管接头锥 面上 的 圆弧变 形量 直接 影 响接 触压 力 ，变形量 与接触压力成正 比关系。要获得 良好 的密 封效果，可通过增加接触变形量来实现。但接触变形 量增加过大，会出现塑性变形或接头黏结等。确定锥 面上圆弧的变形从两个方面考虑 ，一是保证最小接触 压力大于套管所承受 的最大 内压 ；二是接触应力小于 套管材料的屈服强度。 变形量与密封面锥度 和长度相 比，其对接触性能 的影响较大。当变形量超过某一数值以后，接触压力 已接近于套管材料的屈服极限，若再增加变形量，接 触压力也不再增加。在本文设计方案取最佳 的变形量 0 ． 2 7 mm。 2 ． 5制 造 公 差 的 限 定 石油套管接头螺纹 的主要参 数有齿 高 、牙形 角 、 锥度和中径等，公差主要是影响螺纹配合 的过盈量． 从而影响接触压力 ，降低密封性 。选取较大 的公差可 能导致螺纹间隙增大 ，降低接触压力 。增大泄漏间隙 的截面积 ，影 响密封效果 ；如果选择较小 的公差 。就 要降低加工效率 ，提高生产 成本 。从螺纹公差控制角 度考虑 ，希望 在现有 加工技术水平条件下 ，通过调整 螺纹参数及公差控制 ，提高石油套管 台肩处 的接触压 力 ，减小泄漏间隙的截面积 ，提高密封性能 。 本文设计方 案 中 ，外 螺纹 公 差取 4 h ，内螺 纹公 差取 5 H。这在一定程度上可以满足螺纹的密封性能 要求 ，又可 以兼顾到加工精 度及效 率的需要 。 3 特殊石油套管的连接扭矩 在螺纹连接过程 中，如果扭矩 过大 ，容易 出现螺 纹黏扣及材料屈服现象 ；如果扭矩过小 。则使接触压 力减小，轴向载荷的变动会产生因接触压力不足而出 现的泄漏。为此，本文作者提出通过扭矩控制接触应 力 的方 法 ，综合 考虑 各 因素对接 触应 力 压 力 的 影 响 ，解决现有设计方案的不足 ，提高套 管接头 的密 封性能 。 3 ． 1 螺纹扭矩 石油套管螺纹属于锯齿形 或称偏梯扣 ，拧紧石 油套管相当于推动物体在斜面上运动．其扭矩大小为 d ， T 】 Q l t a n 2 式 中螺 纹中径 d 。 为在轴 向剖 面 内牙 厚与牙 间 宽相 等处的假 想 圆柱 面 的直径 ．近似 等于 螺纹 的平 均 直 径 ；螺纹 升角 为在 中径 圆柱面上螺旋线的切线与垂 直于螺旋线轴 线 的平面 的夹 角 ；螺 纹 当量摩 擦 角 ， 是摩擦因数的逆正切角度 ；轴向力 Q ， 为作用于石油 套管轴 向的力 ，包含石油套管 的 自重 。 3 ． 2密封面扭 矩 密封面扭矩是螺纹过盈量致使 螺纹牙发生弹性变 形 。一般接头材料要好于套管材料或两者 的材料相同 ， 在此假设 套管 和接头 的弹性 变形相 同。为 简单起 见 ， 将接头 内螺纹一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可 视为一悬壁梁 ，每圈螺纹承受的平均压力 Q ， ／ n作用在 中径 d 。 的圆周上 ，则螺纹牙 中径 的弯曲变形量为 2 5 L 3 Q 2 3 式 中 为螺纹牙高度 弯曲力臂 ， L Dd ／ 2 ； 螺纹大径 D为与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的 假想圆柱体的直径 ，在有关螺纹的标准中称为公称直 径 ；螺纹小径 d 为与 外螺纹 牙底或 内螺 纹牙顶 相重 合的假想圆柱体的直径。是螺纹的最小直径 ；螺纹牙 的过 盈 圈数 n一 般取 2 ～ 3圈 ；螺纹 牙 的惯性 矩 ， D 6 ／ 2 4 ， b 为螺纹牙的牙根部厚度 ； E为 套管 或 接 2 0 1 5年第 4期 李连进等石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法 1 0 9 头 材料 的弹性模量 。 3 ． 3 圆锥 扭 矩 拧 紧石 油套 管的外圆锥螺纹沿着接头 的内圆锥螺 纹运动，相当于螺旋推动套管挤压进入接头，其轴向 力与挤压力 之间的关系为 Q 3N s i n T 式中 y为接头的圆锥斜面角度； N为两圆锥体之间的 接触变形力 。 圆锥 的挤压力计算公 式为 N 2 A t a n y E S 式 中 为套管 与接 头接触后 的移 动距 离 ； S 为套管 与 接头 的接触 面积 。 套管 圆锥扭矩 大小为 d， T 3Q， t a n 。 4 3 ． 4 台肩扭矩 当石油套管头部的止力矩环与接头的止力矩环相 互接触时 ．两者之 间将发生 圆环状接触 ．其产生 的轴 向力 Q 急剧增大 ，并趋 于无穷大 。 台肩扭矩 大小为 r 4 糕 ] ㈣ 式 中 厂 为套管止 力矩环 与接 头止 力矩 环 间的摩 擦 因 数 ，取f0 ． 1 5 ； D 。 为套管止力 矩环 的内径 ； D 。 为套 管止力矩环 的外径 。 止力矩环 的挤压力计算公式为 Q D 一D 2 ． E 式 中 为套管止力矩 环与接 头止力 矩环接 触后 的移 动距 离。 在计算 时 ，一 般不考虑台肩扭矩。在实际套管连 接作业 时 ．扭 矩 突增 2 0 ％就认 为套 管 和接 头 的止 扭 矩环 已经接 触 ，作 业合格 。 3 ． 5 石 油套 管的连接扭 矩 拧 紧石 油套管螺纹的扭矩为各扭矩之和 ．即 TT 1 T 4 6 石油套 管最大扭矩的确定原则 ，拧紧过程 中石油 套管 或接 头 的螺纹 表 面 的应力 不得 超 过材 料 屈 服极限 的 8 0 ％，确保轴向载荷变动时不超过材料 的屈服极 限。 4全尺寸 实验 在螺纹接头 的设计 中 ，进行全 尺寸实验是 检验设 计结果的重要方法。本文作者利用专用数控螺纹加工 机床 ，在 P l l 0钢级 、尺 寸规格 为 2 4 4 ． 4 8 m m l 3 ． 8 4 i n l n的石油套管上加工了设计 的特殊螺纹 ，选择 5 个接 头和 1 0根套管试样 ．共 1 0组螺纹 配合 形式 ，1 0组螺 纹配合包含密封变形 量可能 出现 的几种情 况 ，使其 具 有代表性 ，实验按 A P I R P 5 C 5标准进行 。 实 验项 目主要有 螺纹参数检测 、上下扣试验 、气 密封试验及水 密封试 验。试验结果 表明 ，该接头 的检 测结果符合要求 ，上下扣与密封试验达到了规定的要 求 ，与同钢级和规格的圆螺纹及偏梯形螺纹石油套管 相比具有很大的密封优势。目前该石油套管已经在新 疆油 田、四川油 田、长庆油 田等 的超深井 中使用 ，使 用结果表 明该套管达 到了国外 同类产 品的水平 。 5 结论 1 提 出的特 殊螺纹 接 头设计 方 案采用 锥 面 与 圆弧 面配合 的密封结构形式 ．采用金属与金属 的接触 变形形式 ，相 比传统的 A P I 螺纹密封结构具有 良好 的密封性能 。 2 密封结构设计 的准则是要保证密封面具有 足够 的接触压力 ，防止接触应力过大发生黏扣和塑性 变形 的方法就是控制密封锥 面圆弧 的接触压力为材料 屈服强度的 8 0 ％左右 。 3 抗扭 矩 台肩 取反 向角 度能 起到 良好 的辅 助 密封效果，同时可以起到防止石油套管和接头拧紧作 业过程 中的过载 ，按石 油套 管最大 扭矩 的确定 原则 ， 要求拧紧时的螺纹表面应力不超过许用应力的8 0 ％。 参考文献 【 1 】李军 ， 陈勉， 张辉． 定 向井套管应力随地应力条件的变化规 律研究[ J ] ． 石油学报， 2 0 0 5 ， 2 6 1 1 0 9 1 1 2 ． L i J u n， Ch e n Mi a n， Z h a n g Hu i ． S t u d y o n v a r y i n g r u l e s o f c a s i n g s t r e s s i n d i r e c t i o n a l h o l e w i t h i n s i t u s t r e s s c o n d i t i o n s [ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 1 0 9 1 1 2 ． 【 2 】陈国明， 殷志明， 许亮斌 ， 等． 深水双梯度钻井技术研究进展 [ J ] ． 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， 3 9 4 3 5 3 7 ． 下转第 1 1 4页 1 1 4 润滑与密封 第 4 0卷 淀或分层现象，能够保证机组的平稳运行，可 以满 足冷轧生产工艺的需要。同时，对冷轧生产设备未造 成不 良影响。 2 延长工作辊使用寿命约 2 0 ％。 3 机组减少 了轧制黑 油现 象 。在 大压 下下仍 能保证 良好的轧制清净性 。 4 轧制力下降 1 0 ％～ 2 0 ％，大大降低了轧制用 电量 。 5 轧 制 表 面光 亮 度 、退 火 清 净 性 、防 锈 性 、 使用稳定性均较好。 4 结论 1 通过调节 乳化剂 体 系各组 分 的比例 和含 量 可 以有效控制乳化液 的颗粒度分布 ，乳化液的颗粒度 分布与其稳定性存 在一定 的对应关系 。 2 在一定体 积平 均粒 径值 范 围 内，随着 颗 粒 度 的增大冷轧用乳化液 的极压润滑性能增强 ．能有效 降低冷轧机组的综合能耗 ．同时获得好的冷轧成品板 面质量 。 参考文献 【 1 】秦鹤年， 罗宇， 冷轧钢板轧制乳化液的研制 [ J ] ． 润滑与密 封 ， 2 0 0 9 ， 3 4 8 7 9 - 8 4 ． Q i n H e n i a n ， L u o Y u ． R e s e a r c h o n c o l d r o l l i n g e m u l s i o n f o r s t e e l s h e e t [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 8 7 9 8 4 ． 【 2 】王新海． 车 L 制油乳化液的分析与研究[ J ] ． 钢铁研究， 1 9 9 4 6 2 3 2 6 ． 【 3 】王一助， 孙建林， 王士庭 ， 等． 纳米添加剂对板带钢冷轧乳化 液润滑性能的影响 [ J ] ． 武汉科技大学学报 自然科学版， 2 0 1 0， 3 3 2 3 3 - 3 6 ． Wa n g Y i z h u， S u n J i a n l i n， W a n g S h i t i n g ， e t a 1 ． E f f e c t o f n a n o a d d i t i v e s i n r o l l i n g e mu l s i o n o n l u b 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