244．5mm套管偏梯形螺紋接頭L4長度公差分析及控制

呂拴錄，姬丙寅，楊成新，文志明，張 鋒，徐永康，樊文剛

（1．中國石油大學機械與儲運工程學院，北京102249；2．塔里木油田，新疆庫爾勒841000）

244．5mm套管偏梯形螺紋接頭L4長度公差分析及控制

呂拴錄1，2，姬丙寅1，楊成新2，文志明2，張 鋒2，徐永康2，樊文剛2

（1．中國石油大學機械與儲運工程學院，北京102249；2．塔里木油田，新疆庫爾勒841000）

某油田在檢驗一批244．5mm偏梯形螺紋接頭套管時發現，管端至螺紋消失點的長度L4比公稱值小25．22mm。雖然API SPEC 5B對套管偏梯形外螺紋接頭L4沒有規定公差，但依據API SPEC 5CT和油田規定的外徑公差可以推算結果，L4的上偏差為39．11mm（7．7扣），下偏差為－17．39mm（3．42扣）。分析結果表明：該批套管L4實際公差已經超過推算出的L4負公差，使套管接頭密封性能降低22．0%，并降低了螺紋連接強度。

套管；偏梯形螺紋；長度；公差

API SPEC 5B［1］套管偏梯形外螺紋接頭管端至螺紋消失點的總長度（L4）和全頂螺紋長度（Lc）是影響內外螺紋接頭嚙合長度（如圖1）的關鍵參數。L4由完整螺紋長度（L7）和不完整螺紋長度（g）2部分組成，即L4＝L7＋g；Lc＝L7－10．16 mm。API SPEC 5B對L4沒有規定公差，對Lc公差有具體規定。

由于L4和Lc的長度受管子不圓度、外徑偏差、壁厚偏差和管子彎曲度等的影響，實際加工的套管外螺紋接頭L4和Lc難免會存在偏差。Lc偏差通過測量確定，并可依據標準規定予以判斷。L4的偏差雖然用肉眼可以直接看到，但由于API SPEC 5B對L4沒有規定公差，卻無法判定是否合格。用戶認為L4太短的螺紋接頭套管其密封性能和連接強度必然會降低；生產廠認為只要Lc符合API SPEC 5B規定，L4可以不考慮，因為API SPEC 5B對L4沒有規定公差。長期以來，用戶和生產廠就API SPEC 5B偏梯形螺紋接頭套管L4公差問題各持不同見解，至今仍然沒有統一認識。因此，分析研究API SPEC 5B偏梯形螺紋接頭套管L4公差問題，搞清L4公差對套管接頭連接強度和密封性能的影響很有必要。

本文根據某油田在套管檢驗過程中發現244．5 mm套管螺紋接頭L4過短問題，從標準規定以及L4偏差對套管接頭連接強度和密封性能的影響等方面進行了分析。

圖1 偏梯形套管螺紋手緊上扣基本尺寸

1 問題提出

某油田在套管檢驗過程中發現244．5mm套管偏梯形螺紋接頭L4偏差很大。同一根套管外螺紋接頭，L4min＝89．4mm，L4max＝130mm（如圖2）。L4min比公稱值短25．2mm，L4max比公稱值長15．4 mm。油田認為這是套管質量問題，工廠對此持不同看法。

圖2 L4測量結果

對于244．5mm偏梯形螺紋接頭套管，API SPEC 5B標準規定，L4＝114．62mm，L4沒有公差；Lc＝50．06mm，在Lc范圍內，公差允許存在2牙黑頂螺紋，但黑頂螺紋的長度不能超過管子周長的25%，在Lc長度的其他螺紋均應是全頂螺紋。

由圖2可知，套管外螺紋接頭在Lc范圍內沒有黑頂螺紋，即套管外螺紋接頭符合API SPEC 5CT標準。

2 按照API SPEC 5CT［2］對L4長度計算和判定

按照API SPEC 5CT對244．5mm套管規定的外徑公差，對L4長度計算結果如表1。

計算結果表明：按照API SPEC 5B規定，外徑公差為＋1%D／－0．5%D，正公差對應的L4為153．73mm，負公差對應的L4為95．06mm。即，依據API SPEC 5D對外徑規定的公差，可以計算出L4上偏差為39．11mm（7．70扣），下偏差為－19．56mm（3．85扣）。實際套管L4max＝130mm，L4min＝89．40mm，L4正偏差符合要求，L4負偏差超差5．66mm（1．11扣）。

表1 按照API SPEC 5CT外徑公差對L4長度計算結果

3 L4對套管接頭密封性能影響

API偏梯形螺紋接頭內外螺紋接頭上扣連接之后存在螺旋通道，其密封性能是靠螺紋脂填充來實現的（如圖3）［3］。螺旋通道越長，螺紋脂流動的阻力越大，越有利于密封性能［4－6］。可以通過計算不同L4長度對應的螺旋通道長度（如表2）來確定其偏差對偏梯形螺紋接頭密封性能的影響。

圖3 偏梯形螺紋接頭螺紋脂填充密封示意

表2 不同L4對應的螺旋通道長度計算結果

4 L4對套管接頭連接強度的影響

偏梯形螺紋接頭連接強度是靠其內外螺紋過盈嚙合來實現的［7－17］。L4長度直接影響API偏梯形螺紋接頭內外螺紋接頭上扣連接之后的螺紋嚙合長度。內外螺紋嚙合長度越長越有利于提高接頭連接強度［9－14］。由于L4長度受管子不圓度、外徑偏差、壁厚偏差和管子彎曲度等的影響，一般套管外螺紋接頭L4長度僅在圓周局部區域超差。在外螺紋接頭L4范圍沒有螺紋的局部區域與內螺紋接頭匹配之后沒有螺紋嚙合，該區域的螺紋應當承受的力會轉移到螺紋其他區域，導致接頭受力偏離軸線。當套管受到軸向拉伸或壓縮時，接頭會產生偏斜拉伸或偏斜壓縮載荷；當套管受到彎曲載荷時，接頭承載能力會降低，即L4長度低于標準要求會降低接頭連接強度。L4長度超差對偏梯形螺紋接頭套管連接強度的影響計算比較困難，目前還沒有計算公式，有關L4長度偏差對偏梯形螺紋接頭連接強度的影響有待進一步研究。

5 L4公差控制

為了保證套管尺寸精度和套管抗擠性能，塔里木油田對套管外徑公差提出了嚴格要求，這實際也對套管外螺紋接頭L4長度提出了要求。按照塔里木油田對套管外徑公差要求，對L4長度的計算結果如表3。

表3 按照塔里木油田要求對L4長度計算結果

按塔里木油田要求，外徑公差為＋1%D／－0．2%D，正公差對應的L4為153．73mm，負公差對應的L4為106．79mm。即，依據塔里木油田對外徑規定的公差，可以計算出L4正公差為39．11mm（7．70扣），負公差為7．83mm（1．54扣）。實際套管L4max＝130mm，L4min＝89．40mm，L4正偏差符合要求，L4負偏差超差17．39mm（3．42扣）。

6 結論

1） 雖然API SPEC 5B對偏梯形套管外螺紋接頭管端至螺紋消失點的長度L4沒有規定公差，但依據API SPEC 5CT規定的外徑公差（＋1%D／－0．5%D）推算結果，L4上偏差為39．11mm（7．70扣），下偏差為－19．56mm（3．85扣）。實際套管L4max＝130mm，L4min＝89．40mm，L4上偏差符合要求，L4下偏差超差5．66mm（1．11扣）。

2） 依據塔里木油田對外徑規定的公差（＋1% D／－0．2%D）推算結果，L4上偏差為39．11mm（7．70扣），下偏差為－7．83mm（1．54扣）。實際套管L4上偏差符合要求，下偏差超差17．39mm（3．42扣）。

3） 按照API SPEC 5CT規定的外徑負公差（－0．5%D）對L4計算結果，套管密封性能降低17．3%；按照塔里木油田規定的外徑負公差（－0．2%D）對L4計算結果，套管接頭密封性能降低6．9%。實際L4＝89．40mm時，套管接頭密封性能降低22．3%。

［1］ API SPEC 5B．SPECIFICATION FOR THREADING，GAGING，AND THREADED INSPECTION OF CASING，TUBING，AND LINE PIPE THREADS．15th ed．［S］．Washington（DC），2004．

［2］ API SPEC 5CT．Specification for Casing and Tubing． 7th ed．［S］．Washington（DC），2005．

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Tolerance Analysis and Control on L4Length for 244．5mm BC Casing

LV Shuan－lu1，2，JI Bing－yin1，YANG Cheng－xin2，WEN Zhi－ming2，ZHANG Feng2，XU Yong－kang2，FAN Wen－gang2
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2．Tarim Oilfield，Korla841000，China）

It was found that the total length end of pipe to vanish point L4is less 25．22mm of casing connection than that of the normal dimension specified in API SPEC 5Bfor 244．5mm buttress thread casing during inspection in one oil field．Though L4tolerance is not specified in API SPEC 5B，but it is considered that L4tolerance can be deduced per outside diameter tolerance in accordance with API SPEC 5CT and the oil field specification，the calculation result is that the upper deviation and lower deviation of L4is＋39．11mm（7．7thread）and－17．39mm（3．42thread），respectively．The actual L4is shorter than the lower deviation that will decrease 22%of seal performance of casing connection，and reduce the tension strength of casing connection．

casing；buttress thread；length；tolerance

book=27,ebook=27

TE931．206

：A

1001－3482（2012）06－0063－04

2011－12－06

呂拴錄（1957－），男，陜西寶雞人，教授級高級工程師，1983年畢業于西安交通大學金屬材料專業，中國機械工程學會失效分析分會失效分析專家，從事石油管材失效分析、技術監督和科研工作，E－mail：lvshuanlu＠163．com。