P110鋼級(jí)LC套管螺紋接頭內(nèi)壓失效分析*

李周波，呂永鵬，蘆 琳，王炳新，梁 航，徐 凱

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201）

P110鋼級(jí)LC套管螺紋接頭內(nèi)壓失效分析*

李周波1,2，呂永鵬3，蘆 琳1,2，王炳新2，梁 航1,2，徐 凱1,2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞鋼管西安石油專用管公司，西安710201）

為了研究LC套管螺紋接頭密封性的影響因素，對(duì)某套管制造企業(yè)生產(chǎn)的P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管進(jìn)行了了內(nèi)壓至失效試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)試驗(yàn)壓力升到69 MPa保壓10 min時(shí)套管無泄漏，繼續(xù)升壓至83.5 MPa時(shí)現(xiàn)場(chǎng)端螺紋接頭出現(xiàn)泄漏失效，未達(dá)到API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P110鋼級(jí)內(nèi)屈服壓力要求（≥93.6 MPa）。對(duì)螺紋接頭母材理化性能、螺紋接頭質(zhì)量控制、內(nèi)外螺紋參數(shù)匹配、螺紋脂等影響因素的分析表明，上扣扭矩值過小及內(nèi)外螺紋參數(shù)不匹配是本次螺紋接頭泄漏的主要原因，最后提出了防止螺紋接頭泄漏失效的措施。

套管；螺紋接頭；內(nèi)壓至失效；密封性

Abstract:In order to study the influencing factors of the sealing performance of LC casing thread joints，the internal pressure to failure test for P110 steel grade Φ139.7 mm×10.54 mm casing manufactured by some casing manufacturing enterprise was carried out.The test result indicated that when the test pressure rose to 69 MPa and pressure maintaining 10 min,casing did not leak;pressure continuously rose to 83.5 MPa,the leakage failure appeared on thread joints,did not reach the internal yield pressure requirements for P110 steel grade（≥93.6 MPa）specified in standard API TR 5C3.Through analysis on physical and chemical properties of thread joint，quality control,the internal and external thread parameter matching,thread compounds and so on,it showed that too small torque value and the internal and external thread parameter mismatching were the main reasons for thread joint leakage，finally put forward the measures to prevent thread joint failure.

Key words:casing； thread joint； internal pressure to failure； sealing property

油、套管的失效類型有粘扣、泄漏、脫扣、擠毀、破裂等。泄漏在套管失效事故中占的比例最大，是最常見的一種失效形式。泄漏會(huì)破壞套管密封完整性，使套管柱失去正常密封能力，最終導(dǎo)致修井作業(yè)或使整口井報(bào)廢[1]。油氣井的壽命和產(chǎn)量在很大程度上取決于管柱的密封和結(jié)構(gòu)的完整性，螺紋接頭是最易損壞的部位。據(jù)調(diào)查，套管柱86%的失效出現(xiàn)在接頭處，且其失效的主要原因是螺紋接頭連接強(qiáng)度和密封能力受到破壞[2]，所以螺紋接頭的連接強(qiáng)度尤其是其密封能力倍受關(guān)注，全尺寸內(nèi)壓至失效是檢驗(yàn)套管接頭抗內(nèi)壓失效的一種方法。為了找出本次接頭失效原因，防止類似質(zhì)量事故再次發(fā)生，針對(duì)本次接頭內(nèi)壓泄漏開展了一系列分析、試驗(yàn)及研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用“焊接管坯+調(diào)質(zhì)處理”工藝生產(chǎn)的P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×10.54 mm套管，管體及接箍的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)用套管經(jīng)無損檢測(cè)、靜水壓試驗(yàn)、螺紋參數(shù)等檢測(cè)均符合API等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 試驗(yàn)用P110套管的化學(xué)成分 %

表2 試驗(yàn)用P110套管的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

按照API TR 5C3規(guī)定，螺紋接頭經(jīng)過“三上扣、兩卸扣”后再進(jìn)行內(nèi)壓至失效試驗(yàn)，前兩次上扣扭矩均為標(biāo)準(zhǔn)要求的最大值，第三次上扣扭矩為最小值。當(dāng)壓力達(dá)到69 MPa保壓10 min無泄漏，繼續(xù)打壓到83.5 MPa時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)端螺紋接頭泄漏失效，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P110鋼級(jí)套管內(nèi)屈服壓力要求（≥93.6 MPa）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

套管柱在規(guī)定的壓力和時(shí)間內(nèi)不能穩(wěn)壓或發(fā)生壓力漏失的現(xiàn)象稱為泄漏。泄漏大多發(fā)生在接頭處，有時(shí)出現(xiàn)在管體[3]。套管的螺紋接頭是最薄弱的部位，也是最容易損壞、泄漏的部位。有關(guān)研究[4]表明，影響螺紋接頭密封性能主要有5個(gè)方面的因素：螺紋的加工偏差、內(nèi)外螺紋匹配、上扣控制、螺紋脂以及使用工況。其中加工因素由生產(chǎn)企業(yè)決定，環(huán)境因素由現(xiàn)場(chǎng)工況決定，螺紋脂由提供螺紋脂的廠家的質(zhì)量來保證。

2.1 螺紋加工尺寸偏差的影響

根據(jù)API 8牙圓螺紋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，API圓螺紋不具備密封性能，API圓螺紋套管的螺紋齒頂與螺紋齒底之間存在間隙，并形成一條螺旋狀間隙帶，使套管內(nèi)外空間連通而發(fā)生泄漏，其間隙大小受螺紋公差控制，螺紋密封與嚙合螺紋的間隙大小有關(guān)。從理論上講，螺紋完全嚙合后，螺紋的齒頂與齒底、齒側(cè)之間沒有間隙。但是由于受到加工能力、機(jī)床精度、生產(chǎn)過程控制及成本等諸多因素的制約，螺紋不可能達(dá)到完全嚙合，而是將螺紋加工公差控制在一定范圍內(nèi)，由于加工公差的存在，螺紋不可能完全嚙合，導(dǎo)致螺紋存在間隙。

API螺紋的密封性主要取決于螺紋的加工參數(shù)，包括緊密距、錐度、螺距、齒高等，這些參數(shù)在AP1 5B中都有規(guī)定。API螺紋加工的公差控制范圍非常大，API 8牙圓螺紋嚙合后螺紋齒底與齒頂之間的間隙最大時(shí)可以達(dá)到0.152 mm，平均在0.076 mm[5]。由于間隙的存在會(huì)在螺紋的齒頂和齒底之間形成一個(gè)環(huán)形通道，如果這個(gè)環(huán)形通道沒有達(dá)到密封或密封失效，則會(huì)產(chǎn)生泄漏。本次生產(chǎn)的P110套管的螺紋參數(shù)全部滿足API 5B標(biāo)準(zhǔn)要求。具體螺紋參數(shù)見表3和表4。

螺紋加工公差對(duì)螺紋密封性主要有兩方面影響：一是影響螺紋配合過盈量，從而影響螺紋的接觸壓力；二是增大了泄漏通道，齒高、牙型角和錐度公差等的變化可導(dǎo)致螺紋間隙的增大[6]。API螺紋主要依靠螺紋面的過盈配合實(shí)現(xiàn)螺紋的有效密封。公差的大小直接決定螺紋配合間隙的大小，也就影響了螺紋接頭的密封性，同時(shí)不同類型的公差也會(huì)影響配合間隙位置，例如，因齒高公差產(chǎn)生的配合間隙在外螺紋齒頂與內(nèi)螺紋齒底（或外螺紋齒底與內(nèi)螺紋齒頂）之間，因牙型角公差產(chǎn)生的配合間隙在螺紋齒側(cè)，因錐度和中徑公差產(chǎn)生的配合間隙都在外螺紋齒頂與內(nèi)螺紋齒底之間。隨著公差的減小，間隙面積也隨之減小，即密封性相對(duì)較好。本次接箍?jī)?nèi)螺紋的錐度小，管端外螺紋的錐度大，上扣時(shí)接箍端部的螺紋將先于管端頭部螺紋與相應(yīng)部分的螺紋嚙合，從而使泄漏間隙沿外螺紋向頭部方向增大，而接觸壓力則沿此方向減小，造成泄漏通道增大，降低螺紋的密封強(qiáng)度，螺紋加工時(shí)盡可能將內(nèi)外螺紋的錐度控制在中值附近，減少泄漏通道，提高螺紋的密封性。API螺紋的密封性主要取決于螺紋的加工參數(shù)，嚴(yán)格控制內(nèi)外螺紋的緊密距、錐度、螺距、齒高等公差，可有效提高接頭的密封完整性。

表3 現(xiàn)場(chǎng)端外螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果

表4 現(xiàn)場(chǎng)端內(nèi)螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 上扣過程控制

螺紋配合的最佳過盈量能否實(shí)現(xiàn)主要取決于上扣控制，尤其是當(dāng)螺紋處于松配合時(shí)，將嚴(yán)重影響螺紋的密封性[7-8]。上扣是影響螺紋密封性的主要因素。目前，上扣控制有多種方法，其控制的參數(shù)主要是扭矩和圈數(shù)。由于扭矩影響上扣后螺紋的過盈量，上扣扭矩越大，螺紋的密封性越好，上扣螺紋圈數(shù)到位也可保證螺紋的密封性及必要的螺紋連接強(qiáng)度。因此，扭矩和圈數(shù)必須同時(shí)控制。API圓螺紋是雙側(cè)面，螺紋的密封性完全取決于螺紋兩側(cè)面的接觸壓力，接觸壓力高，使密封流體的內(nèi)壓力也較高，當(dāng)螺紋兩側(cè)面的接觸壓力高于流體壓力時(shí)，螺紋接頭就能保持密封，接觸壓力的減少或者分布不均以及螺紋間隙的增大，均會(huì)降低螺紋的密封性。上扣扭矩不足，會(huì)使內(nèi)、外螺紋接頭處于松配合狀態(tài)，增大接頭泄漏通道，導(dǎo)致接頭發(fā)生泄漏；上扣扭矩過大，可能導(dǎo)致螺紋發(fā)生粘扣，密封性也不佳[9]。為了找到泄漏的原因，重新清洗內(nèi)外螺紋后，涂上API螺紋脂，在最佳扭矩9 060 N·m以上上扣，進(jìn)行內(nèi)壓失效試驗(yàn)，升壓到98.2 MPa現(xiàn)場(chǎng)端泄漏，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；再次按最大扭矩上扣，升壓到128.7 MPa，兩端同時(shí)泄漏，內(nèi)壓失效值高出標(biāo)準(zhǔn)要求的37.5%。為了保證套管的密封性能，必須有足夠的過盈量，應(yīng)該將上扣扭矩控制在最佳扭矩和最大扭矩之間。

2.3 螺紋脂的影響

螺紋脂是在螺紋上扣過程中涂敷的一種輔助材料，無論是API螺紋還是特殊螺紋，在上扣前都要涂敷螺紋脂，一是在上卸扣過程中對(duì)螺紋起潤(rùn)滑作用，二是在螺紋服役過程中起輔助密封作用[10]。由于API螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，在配合螺紋間仍可能存在泄漏通道，必須借助螺紋脂中的固體來堵塞。本次試驗(yàn)檢驗(yàn)螺紋接頭是在最小扭矩下，使用API螺紋脂，接頭現(xiàn)場(chǎng)端泄漏。為了全方面分析泄漏原因，卸開現(xiàn)場(chǎng)端螺紋接頭，用丙酮把公母扣清理干凈，涂上高密封TOP 101螺紋脂，再次采用最小扭矩上扣，重新進(jìn)行內(nèi)壓至失效試驗(yàn)，壓力升至92.8 MPa時(shí)現(xiàn)場(chǎng)端泄漏，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的93.6 MPa內(nèi)壓要求，但高密封性螺紋脂可提高螺紋接頭的密封性。在螺紋參數(shù)確定以后，螺紋脂對(duì)密封性有一定的影響，螺紋脂選擇適當(dāng)可提高并保持API螺紋接頭的密封性能。因此，選擇合適的螺紋脂是提高螺紋密封性的主要措施之一。

3 結(jié)論與建議

（1）本次螺紋接頭泄漏主要原因是上扣扭矩不足，應(yīng)將上扣扭矩控制在最佳扭矩和最大扭矩之間。

（2）內(nèi)外螺紋參數(shù)匹配、使用高密封螺紋脂、控制上扣扭矩可以提高套管API圓螺紋密封性。

（3）建議螺紋加工廠家制定內(nèi)控指標(biāo)，減小螺紋的錐度、緊密距、螺距、齒高等參數(shù)的公差，有利于提高接頭密封性。

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Internal Pressure Failure Analysis of P110 Steel Grade LC Casing Pipe Thread Joint

LI Zhoubo1,2， LYU Yongpeng3， LU Lin1,2， WANG Bingxin2， LIANG Hang1,2， XU Kai1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi,China；3.Xi’an OCTG Company of BSG Group,Xi’an 710201,China）

TG113.25

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.010

2016－07－14

編輯：李紅麗

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“110 ksi鋼級(jí)SEW高抗擠套管開發(fā)”（項(xiàng)目號(hào)2016KTCQ01-106）。

李周波（1981—），男，工程師，主要從事焊接技術(shù)及油井管新產(chǎn)品開發(fā)工作。