螺紋黏結對圓螺紋套管連接強度的影響

李 兵，高連新

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237）

螺紋黏結是圓螺紋套管常見的失效形式，經常會造成接頭密封性能下降、連接強度降低，甚至脫扣掉井。目前，國內外大多數廠家還沒有完全解決圓螺紋套管的螺紋黏結問題，每年油田因套管螺紋黏結失效造成的損失十分巨大。正因如此，螺紋黏結問題一直是科研工作者研究的熱點［1-3］。

根據ISO 13679—2019《石油天然氣工業 套管及油管螺紋連接試驗程序》的定義，螺紋黏結是“金屬材料接觸表面在螺紋滑動或旋轉過程中，發生冷焊而產生的撕裂現象”。因此，螺紋黏結是由螺紋局部高接觸應力作用下金屬表面相對滑動造成的，通常歸咎于兩接觸表面有沒有足夠的潤滑。ISO 13679—2019將螺紋黏結分為3個等級，即：①螺紋輕度黏結（light galling），可以用砂紙修復的螺紋黏結；②螺紋中度黏結（moderate galling），可以用銼刀和砂紙修復的螺紋黏結；③螺紋嚴重黏結（severe galling），用銼刀和砂紙不能修復的螺紋黏結。

上述分類方法以可否修復作為判定螺紋黏結的依據，具有較強的可操作性，但這種分類方法也存在兩點不足：①螺紋可否修復受判定人的主觀影響很大，缺少量化標準；②修復后的螺紋會不會影響其連接強度、密封性能，ISO 13679—2019并沒有給出對應關系。

因螺紋黏結引發的套管掉井事故屢見不鮮［4］，說明螺紋黏結對連接強度有明顯影響。目前，研究者從螺紋加工質量、現場操作等方面開展了大量工作［5-19］，但鑒于螺紋黏結的影響因素多，螺紋黏結問題并沒有完全解決。特別是對已經發生黏結的螺紋，其連接強度會有多大削弱，可否繼續使用，目前還缺乏相關的數據，對這些問題很有必要開展深入研究。

1 螺紋黏結形貌分析

參考ISO 13679—2019標準對螺紋黏結的定義，將發生不同程度螺紋黏結的API圓螺紋齒形放大，可以得到螺紋損傷后，牙型表面的輪廓形貌。圓螺紋套管螺紋黏結形貌如圖1所示。

圖1（a）所示為上扣前的標準螺紋牙型，其表面光滑平整，齒形輪廓清晰。

圖1（b）所示為外螺紋表面出現輕度螺紋黏結的齒形形貌。在嚙合螺紋應力集中部位的齒頂、齒側面上均有螺紋黏結痕跡，但此時的螺紋黏結面積較小，齒形修磨后可繼續使用。

圖1 圓螺紋套管螺紋黏結形貌

圖1（c）所示為外螺紋表面出現中度黏結的齒形形貌。此時承載面和導向面均產生了明顯螺紋黏結，螺紋黏結損傷面積明顯大于輕度黏結。

圖1（d）所示為發生嚴重螺紋黏結的油管牙型。齒面損傷十分嚴重，已看不出螺紋外觀的原始輪廓。齒頂因擠壓、磨削已無形狀。

螺紋黏結發生在接頭上（內螺紋略）的具體位置如圖2所示：有的發生在嚙合螺紋的小端（圖2a），有的發生在嚙合螺紋大端（圖2b），還有少數發生在嚙合螺紋的中部（圖2c）。上述螺紋黏結均屬于3個等級中的嚴重黏結。

圖2 螺紋發生黏結的位置

本文以C110鋼級Φ139.7 mm×7.72 mm規格圓螺紋套管為對象，研究螺紋黏結發生在嚙合螺紋大端、小端及中間位置情況，對接頭連接強度的影響程度。

2 有限元模型的建立與驗證

研究螺紋黏結對螺紋連接強度的影響，最可靠的方法是全尺寸試驗法，即找到一批發生了不同類型螺紋黏結的套管，進行拉伸至失效試驗。但試驗很難收集到大量的具有典型螺紋黏結特征的樣品，而且全尺寸試驗費時費力，目前比較傾向于采用有限元法。采用有限元法分析套管接頭的力學性能，主要涉及分析模型、計算程序、失效判據等技術問題，使得采用不同模型、不同程序、不同失效判據時結果有較大不同。因此，本文首先驗證試驗驗證模型的可靠性，然后再利用驗證過的模型進一步分析螺紋黏結對接頭連接強度的影響。

針對C110鋼級Φ139.7 mm×7.72 mm規格圓螺紋套管建模，模型參數采用實測幾何尺寸和實測機械性能，根據接頭結構和受力特點，將其按軸對稱問題處理，選用的單元類型為軸對稱三結點三角形實體單元，模型的有限元劃分以及螺紋部分網格的局部細分如圖3所示。

圖3 接頭的有限元模型網格劃分

在接頭的內壁和外壁粘貼應變片。測量接頭在上扣、上扣+拉伸條件下的應變分布，以及接頭的拉伸失效載荷，并與有限元結果進行比較。試驗流程如下：①測量接頭及螺紋外形尺寸；②測量接頭材料的機械性能；③在接頭內、外壁粘貼應變片，如圖4所示；④上扣試驗（上扣3圈，記錄應變值）；⑤拉伸至失效試驗（對上扣后的試樣施加拉伸載荷1 500 kN，記錄應變值，然后拉伸至失效，記錄失效值）。

圖4 應變片布置

上扣條件下接箍外壁的應變分布如圖5所示。可見，上扣后套管接頭的變形以環向變形為主（大部分位置都在1 000×10-6以上），軸向變形較小（大部分位置都接近于0）。在靠近螺紋大端的第2～3個應變片位置，接箍的變形最大，經分析變形主要是由于螺紋徑向過盈產生的環向變形。從計算和試驗檢測對比可知，二者不論是分布規律還是數值大小，都是非常接近的。

圖5 上扣條件下接箍外壁的應變分布

上扣條件下管體內壁的應變分布如圖6所示。將圖6與圖5對比可知，上扣后管體內表面產生的應變值比較大，遠大于接箍外表面的應變值；而且由于上扣后外螺紋受到內螺紋的壓縮，外螺紋的環向應變均為負值，代表處于受壓狀態。

圖6 上扣條件下管體外螺紋內壁的應變分布

接頭上扣后繼續施加1 500 kN的拉伸載荷，研究此時接箍外壁和管體內壁的應變變化，其中接箍外壁的應變分布如圖7所示。比較圖5和圖7可知，施加拉伸載荷以后，接箍外壁的環向應變有所增大（最大環向應變增大了大約15%），原因是圓螺紋60°牙型角比較平緩，在拉伸載荷作用下承載面產生了較大的徑向分力，使接箍脹大所致。與環向應變相比，軸向應變變化比較明顯，這跟施加的是軸向拉伸載荷有關。總之，從圖5～7可見，從應變的分布趨勢看，計算結果與試驗結果非常接近，說明通過有限元法可以準確地了解接頭上的應力、應變分布情況。從具體數值上看，計算結果與試驗結果有一定的差異，但差異不大，可以完全滿足工程精度的要求。

圖7 拉伸條件下接箍外壁的應變分布

最后對上述模型繼續施加拉伸載荷，選擇應變增量/載荷比率作為失效判據，接頭在拉伸載荷為1 997.375 kN時發生螺紋脫扣失效。試驗結果為2 113 kN，失效形式為接頭滑脫。有限元法與試驗結果相比，誤差為5.49%，而且失效形式也完全一致，可見有限元分析結果的精度是足夠的。

3 螺紋黏結對連接強度的影響分析

接頭從手緊位置開始，上扣3圈達到機緊位置，此時參與嚙合的螺紋共有22牙，對各個嚙合螺紋牙從小端起進行編號，嚙合螺紋牙編號如圖8所示。

圖8 嚙合螺紋牙編號

利用上述有限元模型，首先計算接頭拉伸失效前各個螺紋分擔的軸向拉伸載荷，見表1。規定沿外螺紋接箍面向右為正方向。從計算結果可見，接頭拉伸失效前，22牙螺紋共同分擔了1 997.375 kN的拉伸載荷，但在這些螺紋中，各螺紋牙分擔的力并不是均勻的，而是有很大的差距，靠近大端的第1、2牙螺紋（即圖8中的第21、22號螺紋）分擔的力最大，約占總載荷的26.4%，從第20號螺紋向前分擔力均較小，尤其是靠近小端的1～7牙螺紋，這么多螺紋只分擔了總載荷的15.9%。

表1 螺紋未發生黏結時各個嚙合螺紋分擔的力 N

因為各牙螺紋分擔的載荷很不均勻，所以當處于不同位置的螺紋損壞，對接頭連接強度的影響應該是不同的。因此，這里利用有限元法研究第1～3號、10～13號、20～22號螺紋分別發生黏結損壞，對接頭連接強度的影響。

建立模型時，螺紋輕度黏結定義為：內螺紋完好，外螺紋承載面側靠近齒頂處有一深度0.1 mm，寬度0.3 mm的凹坑（圖9a）。中度黏結定義為：內螺紋完好，外螺紋同一位置的凹坑深度0.2 mm，寬度0.6 mm（圖9b）。嚴重黏結定義為：內螺紋完好，外螺紋同一位置的凹坑深度0.8 mm，寬1.5 mm（圖9c），此時外螺紋基本磨平。

圖9 螺紋黏結模型示意

進行模擬分析時，首先假設螺紋發生了輕度黏結，且有3牙螺紋同時黏結，計算當這3牙螺紋處于不同位置（大端、小端和中部）時接頭的連接強度值，然后再用同樣的步驟和方法計算螺紋中度黏結和嚴重黏結的情況，計算結果見表2。

表2 不同黏結程度及黏結位置情況下螺紋的連接強度

可見，螺紋發生輕度黏結對接頭連接強度的影響很小，不論螺紋黏結發生在嚙合螺紋的大端、小端還是中部，對接頭連接強度的削弱均不超過1.2%。經分析，這與螺紋的受力特點有關：在拉伸載荷作用下，各牙的螺紋受力并不均勻，部分螺紋牙削弱后改變了螺紋的受力分布，使得損壞螺紋所分擔的力向臨近的其他螺紋轉移，使得接頭連接強度并未顯著降低。

當螺紋黏結程度加深，達到中度黏結水平，對接頭連接強度的影響開始顯現。此時，如果螺紋黏結發生在嚙合螺紋的大端，接頭連接強度下降6.9%；如果發生在小端，接頭連接強度下降3.2%；如果發生在螺紋中部，接頭連接強度下降4.8%。

當螺紋發生嚴重黏結，接頭連接強度下降明顯：若嚴重黏結位置位于嚙合螺紋的大端，連接強度下降19.6%；若位于嚙合螺紋的小端和中部，連接強度下降6.5%和8.2%。經分析，當螺紋發生嚴重黏結，外螺紋基本上被磨平，螺紋黏結的3牙螺紋完全失去承載能力，因此對接頭連接強度造成了顯著影響。特別是當大端的3牙螺紋完全不能承受載荷以后，承載最大的第21、22號嚙合螺紋向小端方向轉移，由于螺紋具有1∶16的錐度，轉移后螺紋所在基體的厚度顯著減薄，即危險截面面積變小，對接頭連接強度的影響最大，使接頭連接強度降低了19.6%。

4 結 論

（1）建立了圓螺紋套管接頭應力分析的有限元模型，計算了接箍外壁和管體內壁的應變大小及分布規律，并在相應位置粘貼應變片，實際測量了應變的具體數值，將試驗結果用于有限元建模，保證了分析模型的可靠性。

（2）利用有限元模型，研究了螺紋輕度黏結、中度黏結和嚴重黏結對圓螺紋套管接頭連接強度的影響。有限元分析結果表明，螺紋輕度黏結對接頭連接影響不明顯；螺紋中度黏結若發生在嚙合螺紋的大端，會使連接強度降低5%左右；螺紋發生嚴重黏結時，接頭連接強度下降明顯。若螺紋嚴重黏結位置位于嚙合螺紋的大端，連接強度下降約20%；若位于嚙合螺紋的小端和中部，連接強度下降6%～8%。

（3）油田使用圓螺紋套管時，若螺紋發生輕度黏結，經修復后可以繼續使用，修復的目的是去掉毛刺，防止上扣時黏結進一步加劇；若發生中度或嚴重黏結，且螺紋黏結位置在嚙合螺紋大端，應停止使用并更換新的接頭。