錐度設計對套管特殊螺紋接頭密封性能影響*

白 鶴， 張 章， 李 超， 何石磊， 苑清英， 魯碧為

（1. 寶雞職業技術學院 機電信息學院， 陜西 寶雞721013； 2. 寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院， 陜西 寶雞721008； 3. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞721008；4. 西安鉑力特增材技術股份有限公司， 西安710072）

0 前 言

油氣管柱是油套管通過專用接頭連接在一起， 具有一定承受復合載荷 （拉、 壓、 彎、 高溫） 能力的專用采輸系統， 接頭作為整個管柱最薄弱的環節， 直接決定了油套管產品乃至整個管柱的性能。 隨著石油資源開采難度不斷增加， 連接強度高、 密封性能可靠的特殊螺紋接頭套管產品日益受到油田用戶的青睞[1-3]。

密封性能是特殊螺紋接頭最重要的性能指標， 通過金屬之間的過盈配合， 可實現良好的氣密封性能， 因此， 目前大部分工程技術人員的研究方向主要集中在特殊螺紋接頭主密封結構的選擇和參數設計[4-6]。

特殊螺紋接頭基本結構分為扭矩臺肩、 金屬過盈密封面和螺紋3 個部分， 其中金屬過盈密封面是主密封結構， 而扭矩臺肩和螺紋部分則起到輔助密封的作用。 根據研究表明[7-9]， 特殊螺紋接頭密封性能不僅與金屬過盈密封面結構和過盈量設計有關， 同時還與扭矩臺肩的形式、 過盈量以及螺紋的過盈量、 錐度等參數有關。 而螺紋參數， 特別是錐度設計對其密封性能影響的研究還比較少。 申昭熙[10]等人分析了12 種不同螺紋參數組合下特殊螺紋的密封可靠性， 得出錐度是影響其密封性能的重要因素。 彭羽[11]等人討論了錐度偏差對兩種主密封結構特殊螺紋接頭密封可靠性的影響， 發現錐度對其密封性能影響較大。

以上研究主要聚焦于常規錐度設計， 本研究借助有限元分析和實物試驗的方法， 重點討論原始錐度、 內螺紋收尾處平切和設置退刀槽3 種錐度設計方案對特殊螺紋接頭密封性能的影響， 為特殊螺紋接頭的設計開發和產品工業化提供參考。

1 模型建立及有限元分析

1.1 模型參數選擇

API RP 5C5—2017 標準[12]是目前國內外最新使用的油套管接頭性能評價依據， 通過該標準可以有效判斷特殊螺紋接頭在服役條件下的密封性能。 根據接頭服役條件不同， 該標準將試驗從簡單到苛刻分為4 個級別， 每個級別對試驗樣品數量和公差配合要求都有明確規定。 每個級別的試驗都需要使用1#試樣， 其目的之一是為了驗證接頭的密封可靠性， 1#試樣的參數見表1。 從表1 中可以看出， 對于密封可靠性來說， 該試樣的公差配合條件是所有試驗樣品中最不利的， 在密封過盈極低和上扣扭矩最小的雙不利條件下，極高的螺紋過盈量和內、 外螺紋陡/緩的錐度配合又加劇了金屬過盈密封面的分離趨勢， 使得試樣泄漏幾率大大增加。 因此， 要保證螺紋接頭的密封可靠性， 在其他參數不可變的情況下， 只能縮小內、 外螺紋錐度取值范圍， 這使得工業化生產控制難度進一步增加。

表1 特殊螺紋接頭實物試驗1#試樣的公差要求

本次模型建立以1#試樣公差配合要求為基礎， 以規格Φ177.8 mm×10.36 mm 的P110 鋼級特殊螺紋接頭為例， 討論螺紋的錐度設計對套管特殊螺紋接頭密封性能的影響。 具體的模型設計方案見表2。

表2 有限元模型錐度設計方案

1.2 有限元建模

借助ABAQUS 有限元分析軟件， 采用二維軸對稱模型和彈塑性非線性分析模型對特殊螺紋接頭性能進行模擬分析， 并對有限元模型進行以下假設和簡化[13-14]： ①管體和接箍為各向同性的強化材料； ②忽略螺紋升角的影響； ③假設管體和接箍在變形前的幾何尺寸為理想狀態。 選用的材料參數見表3， 本研究摩擦系數選擇0.02。 為使模擬結果更加準確， 在螺紋和密封面處進行了網格細化處理， 其有限元模型如圖1 所示。

表3 有限元模型選用的材料參數

圖1 特殊螺紋接頭網格細化有限元模型

1.3 模擬結果及分析

利用ABAQUS 軟件對5 組模型分別進行了上扣、 拉伸以及壓縮條件下的數值模擬， 并對不同服役條件下金屬密封面的接觸壓力進行了對比， 結果如圖2 所示。 從圖2 可以看出， 設置退刀槽的模型金屬密封面的接觸壓力最高值已超過500 MPa， 為5 個模型中最大值， 同時接觸長度也最長； 而保持螺紋原始錐度的模型其金屬密封面接觸壓力值最低， 接觸長度最短； 采用內螺紋收尾處平切方法的3 組模型， 其金屬密封面接觸壓力和接觸長度均介于上述兩模型之間， 且數值大小隨平切深度的增加而增加。

通過模擬結果分析， 發現螺紋錐度結構設計對套管特殊螺紋接頭密封可靠性的影響較大， 主要是由于內、 外螺紋錐度的陡緩配合使得接頭在上扣后， 靠近金屬密封面的螺紋處產生了較大的徑向相互作用力， 其方向如圖3 中F 和F1所示，該相互作用力使金屬過盈密封面產生分離趨勢，從而降低接觸壓力和接觸長度。 而平切收尾處螺紋和設置退刀槽都是減小該徑向相互作用力的方法， 因此， 金屬過盈密封面接觸壓力值大小和接觸長度得到進一步增加。 但平切收尾處的螺紋會導致內螺紋的全頂螺紋數量減少， 接頭連接強度降低， 平切深度越大， 全頂螺紋數量越少， 其中平切0.35 mm 的模型在螺紋收尾處較保留原始錐度的模型減少3 扣完整螺紋， 因此螺紋平切深度值確定應考慮接頭的連接強度。

圖2 不同服役條件下金屬密封面的接觸壓力

圖3 內、 外螺紋錐度陡緩配合產生的相互作用力

采用XIE[18]等人提出的密封失效判據 （公式1）， 對5 組模型進行上扣、 拉伸、 壓縮條件下的密封可靠性分析。 當密封接觸壓力積分值大于氣密封門檻值時， 認為其具有可靠的密封性能。 本次模擬中Pgas取值70 MPa （中低壓油氣井井況）， 可以得出氣密封門檻值為2.4 m·MPa1.4。

式中： Pc——密封面接觸壓力， MPa；

L——接觸長度， m；

Pgas——氣密封內壓力， MPa；

Patm——大氣壓力， MPa；

m——經驗系數， 取0.838。

上扣、 拉伸及壓縮條件下5 組模型的模擬結果如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 保持原始錐度的1#模型的密封接觸壓力積分值最低， 特別是在上扣條件下已低于氣密封門檻值， 說明其密封可靠性不佳， 在服役過程中存在極高的泄露可能性， 而其他幾組模型的密封接觸壓力積分值均遠高于其密封門檻值， 具有較好的密封可靠性。 造成該結果的主要原因是1#模型密封面接觸壓力低、 接觸長度短。

圖4 上扣、 拉伸及壓縮條件下5 組模型的密封可靠性分析

2 實物試驗及結果分析

結合有限元模擬結果， 選擇上述模型中的3組進行試樣加工， 并開展實物試驗。 具體試樣參數、 試驗條件以及試驗結果見表4。

表4 特殊螺紋接頭實物試驗的參數、 條件及結果

通過實物試驗可知， 保留原始錐度的試樣在B 系復合載荷試驗過程中發生泄露， 這與有限元模擬分析結果一致， 說明該錐度配合下螺紋之間相互作用力大， 使金屬密封面的接觸壓力和接觸長度值不能滿足服役條件要求， 要改善其密封性能， 在其他參數保持不變的情況下只能縮小內、外螺紋錐度取值范圍， 進而增加生產控制難度。內螺紋收尾處平切0.25 mm 的試樣順利通過試驗， 說明在原有錐度的基礎上對內螺紋收尾處進行平切處理使得金屬密封面的接觸壓力和接觸長度都得到了明顯的改善， 因此該設計方案可有效增加套管特殊螺紋接頭錐度的設計范圍。 設置退刀槽試樣在上卸扣試驗時， 管體前幾扣發生了輕微粘扣的現象， 經分析發現引起粘扣的原因主要是退刀槽的加工所引起的。 由于螺旋線的存在，使得螺紋與退刀槽相交處產生了1～2 扣沿軸向的不完整螺紋， 這些不完整螺紋不僅存在翻邊、毛刺等缺陷， 同時還具有較差的強度， 在上扣過程中極易發生變形， 此時便會造成與其接觸的管體前幾扣發生劃傷或粘扣現象。 因此， 在進行退刀槽設計時應充分考慮這一問題。 此外， 設置退刀槽試樣的加工周期較其他兩組試樣長， 這是由于退刀槽的設置會增加檢測步驟和刀具數量， 延長加工時間， 使得生產效率和成品率降低。

3 結 論

（1） 與原始錐度試樣相比， 內螺紋收尾處的平切處理可有效增加金屬密封面的接觸壓力和接觸長度， 擴大特殊螺紋接頭的錐度取值范圍， 提高接頭密封可靠性和成品率。

（2） 內螺紋收尾處平切深度應充分考慮全頂螺紋的數量， 保證特殊螺紋接頭的連接強度。

（3） 設置退刀槽可有效改善特殊螺紋接頭的密封可靠性， 但應注意其結構設計， 避免與其配合的螺紋發生劃傷和粘扣， 同時， 退刀槽的設計會增加產品加工檢測周期。