衛(wèi) 棟，易曉明，豐振軍

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710065） ＊

非API螺紋特點及檢測相關(guān)性探討

衛(wèi) 棟，易曉明，豐振軍

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）＊

分析了油套管特殊螺紋的密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺肩和螺紋形狀，探討了特殊螺紋檢測方法的特殊性，以及影響特殊螺紋油套管質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以期建立石油天然氣行業(yè)特殊螺紋接頭的檢測方法及驗收標準。

特殊螺紋接頭；密封結(jié)構(gòu)；扭矩臺肩；螺紋形狀

油套管特殊螺紋接頭與常見的API螺紋接頭相比，在使用性能方面有了很大程度的改善，可以滿足特殊工況的要求［1］。

自1990年以來，我國開始逐步使用特殊螺紋油井管，而且用量越來越大。目前，我國自行開發(fā)的特殊螺紋接頭尚不成熟，各油田使用的特殊螺紋油井管主要依靠進口，但特殊螺紋接頭大都是國外各個生產(chǎn)廠家的專利產(chǎn)品，因涉及到專利權(quán)，長期以來，我國并沒有制定統(tǒng)一的驗收標準，而是由各個生產(chǎn)廠家自行制定檢驗項目和檢驗方法，給油田到貨檢驗造成混淆和不便［2－3］。因此，有必要探討特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點和檢測分析方法，使油田用戶對特殊螺紋接頭有一個比較清楚的認識，從而把好質(zhì)量關(guān)。

1 油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點

目前，國內(nèi)外已有30多家公司開發(fā)設計了110多種特殊螺紋油、套管接頭，在結(jié)構(gòu)設計上與API螺紋接頭有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)在密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺肩、螺紋形狀3個方面。油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)

1.1 密封結(jié)構(gòu)

相對于API螺紋接頭，特殊螺紋接頭不單依靠螺紋的過盈配合及螺紋脂來起到密封作用，而是增加主密封結(jié)構(gòu)達到特殊螺紋接頭的多重密封［4－6］。

主密封結(jié)構(gòu)分為彈性密封環(huán)結(jié)構(gòu)和金屬－金屬密封結(jié)構(gòu)2大類。彈性密封環(huán)結(jié)構(gòu)較為簡單，可封隔介質(zhì)進入內(nèi)部，但在高溫和高腐蝕性介質(zhì)中，其壽命有限，只作為輔助密封或封隔介質(zhì)用。金屬－金屬密封結(jié)構(gòu)是由光滑的金屬表面彈性過盈配合而實現(xiàn)密封，使接頭氣密封抗力達到管體極限內(nèi)屈服壓力。

密封結(jié)構(gòu)主要包括：

1） 端面密封結(jié)構(gòu) 按端面在接頭螺紋的位置與軸線的取向分為內(nèi)端面、外端面、中間端面、內(nèi)外端面復合結(jié)構(gòu)以及直角端面、斜端面結(jié)構(gòu)等。

2） 徑向密封結(jié)構(gòu) 包括內(nèi)徑向、外徑向密封結(jié)構(gòu)。

3） 復合多重密封結(jié)構(gòu) 由徑向密封結(jié)構(gòu)（內(nèi)或外）與端面密封結(jié)構(gòu)（1個或多個）組合。目前油田使用的特殊螺紋接頭主要為復合多重密封結(jié)構(gòu)。

密封結(jié)構(gòu)的形式是接頭密封的關(guān)鍵，從形式上可分為錐面－錐面密封（NSCC、VAMTM、NEW VAM等）、球面－錐面密封（NKK3SB等）、球面－曲面密封（FOX等）3種，如圖2所示。

從密封面高壓面接觸方式來講，可分為線接觸（NKK3SB等）、面接觸（NSCC等）2種。

圖2 特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)及扭矩臺肩

1.2 扭矩臺肩

由于API螺紋接頭上扣位置及扭矩范圍較寬，容易造成使用性能下降。特殊螺紋接頭針對這一點設計了扭矩臺肩，主要起扭矩控制作用，使特殊螺紋接頭在耐粘接性、抗壓縮變形方面得到加強；扭矩臺肩的另一個作用是控制螺紋和密封干涉量，確保主密封的過盈量在順利實現(xiàn)的同時，還起到保護主密封的作用。如圖2所示。

扭矩臺肩按結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)、外臺肩；直角、斜臺肩；復合臺肩（主、副臺肩）；臺階形插銷臺肩。

1.3 螺紋形狀

為增強特殊螺紋接頭本身的連接強度，特殊螺紋接頭的螺紋通常設計為偏梯形螺紋或形狀類似鉤形、楔形的螺紋。采用“全退刀”加工技術(shù)，適當減小螺紋螺距和齒高，API BTC接頭螺紋錐度1／16（in／in）或選用比1／16（in／in）大的錐度，以使螺紋應力分布更合理。

特殊螺紋接頭的螺距分為不變螺距和變螺距2種結(jié)構(gòu)。特殊螺紋接頭變螺距結(jié)構(gòu)為外螺紋螺距不改變，接箍內(nèi)螺紋為變螺距。內(nèi)螺紋螺距分為3段：中間段與外螺紋螺距相同；靠密封面一側(cè)螺距比中間段螺距?。豢拷庸慷嗣嬉粋?cè)螺距比中間段螺距大。通過變螺距，可以克服接箍內(nèi)螺紋端外脹、外螺紋端收縮的傾向，改變了咬合螺紋的應力分布，從而提高接頭的連接強度和抗滑脫能力。以特殊螺紋“FOX”扣型為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

特殊螺紋承載面角度對接頭滑脫有一定的影響，在設計上需與牙型高度、螺距、錐度、不完整螺紋長度（L4）等參數(shù)整體考慮，但承載面角度對接頭抗拉強度影響不大。這點可由下式說明，即

式中，θ為承載面角度；μ為接觸表面的摩擦因數(shù)。

當承載面角度的正切值小于接觸面的摩擦因數(shù)時，接頭不會發(fā)生滑脫。表1為特殊螺紋套管接頭螺紋形狀比較。

圖3 特殊螺紋接頭“FOX”變螺距結(jié)構(gòu)

表1 特殊螺紋套管接頭螺紋形狀比較

2 油井管特殊螺紋接頭檢測

2.1 油井管特殊螺紋接頭檢測用量具

從特殊螺紋的結(jié)構(gòu)特點不難看出，其在設計生產(chǎn)上較為復雜，API接頭檢測使用的量規(guī)無論是從精度上還是檢測性能上，都無法滿足其特殊檢測的需要。因此，各特殊螺紋生產(chǎn)廠家設計了許多檢測特殊螺紋單項參數(shù)的特殊量具，以期對螺紋質(zhì)量進行有效控制。

檢測量具主要分為板型量規(guī)和表式量規(guī)2大類。板型量規(guī)的特點是測量時較為直觀，因其分別標出了螺紋形狀和結(jié)構(gòu)的大小極限尺寸，即板型量規(guī)已將螺紋所允許的公差帶直接標注在量規(guī)表面，檢測時只需將板型量規(guī)與螺紋被檢處直接進行比對，即可判斷其是否合格，檢測速度大幅度加快，而且不易磨損，如圖4所示。表式量規(guī)以間接測量法或相對測量法檢測中徑、密封面直徑、螺距、齒高、錐度等螺紋單項參數(shù)，如圖5所示。

圖4 板型量規(guī)

圖5 密封面直徑量規(guī)

需指出的是，由于緊密距測量用來體現(xiàn)螺紋咬合情況存在一定局限性，而且在檢測較大管徑緊密距時所匹配的量規(guī)質(zhì)量較大，容易在旋合過程中造成螺紋部分的損傷，降低了測量的可操作性，例如管徑＞?244.5mm（9英寸）時就容易出現(xiàn)此種情況。緊密距測量尤其不適合于13Cr等特殊材料制成的接頭，因此在特殊螺紋接頭檢測中，傳統(tǒng)的螺紋量規(guī)緊密距測量已基本被螺紋中徑的測量所取代。國外很多公司對此技術(shù)進行了開發(fā)，最具代表性的為美國GAGEMAKE公司研制生產(chǎn)的MRP量規(guī)，如圖6所示。

圖6 美國GAGEMAKE公司生產(chǎn)的MRP量規(guī)

MRP量規(guī)配合螺紋單項參數(shù)的測量，能夠較客觀地反映螺紋中徑對連接性能的影響，測量重復性較好，同時避免了螺紋量規(guī)的系統(tǒng)誤差和傳遞誤差，使測量精度提高。

2.2 油井管特殊螺紋接頭檢測項目及驗收標準

在特殊螺紋接頭檢測過程中，檢測項目相對于API螺紋接頭相應增加。不同種類的特殊螺紋由于設計思路的差別，檢測項目和檢測方法均有所不同，但從油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點不難看出，其檢測項目還是密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺肩、螺紋形狀這3個最為重要的結(jié)構(gòu)部分。

2.2.1 外觀檢查

重點檢查螺紋區(qū)域和密封輪廓區(qū)域，不得有震顫及有刀痕、刻痕的螺紋出現(xiàn)。帶有嚴重螺紋損傷的接頭應報廢，輕微的損傷可修整，密封輪廓區(qū)域如有貫穿整個密封面的點腐蝕、機械刻痕、凹陷、變形，都會造成泄漏，應報廢。

特殊螺紋表面都經(jīng)過鍍層處理，在現(xiàn)場經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)連續(xù)數(shù)牙螺紋鍍層脫落，此現(xiàn)象易造成接頭上扣時的粘連，應報廢。

在特殊螺紋完整螺紋長度內(nèi)不允許有黑皮扣的出現(xiàn)，檢測中發(fā)現(xiàn)黑皮扣處的齒高、中徑易超差。

2.2.2 單項參數(shù)檢測

2.2.2.1 螺紋中徑

對于特殊螺紋，螺紋的咬合是靠牙頂、牙底及承載面的接觸來實現(xiàn)的，螺紋中徑的定義為大小徑的平均值，MRP量規(guī)實際上是測量特殊螺紋的外螺紋的大徑和內(nèi)螺紋的小徑，需要配合牙型高度的測量才可計算出外螺紋的小徑、內(nèi)螺紋的大徑的偏差值。某特殊螺紋牙型高度偏差與中徑偏差的對應關(guān)系如表2。

表2 某特殊螺紋牙型高度偏差與中徑偏差的對應關(guān)系

由表2可知，不同的牙型高度偏差對應不同的中徑偏差范圍，螺紋中徑的偏差受牙型高度的限制，牙型高度變小，螺紋中徑也隨之變小。

MRP量規(guī)在測量特殊螺紋中徑時，要先確定作用中徑的位置（生產(chǎn)廠家一般會提供相關(guān)數(shù)據(jù)），要將MRP量規(guī)測頭中心點位置與作用中徑位置相切，也就是直接測量作用中徑的大小。但檢測中存在1個問題：由于運輸及現(xiàn)場裝卸過程中，管子易發(fā)生碰撞產(chǎn)生變形，尤其是管端變形，但測量作用中徑的位置離管端較遠，管端變形后，作用中徑處可能并未變形，在檢測中，作用中徑合格，而管端變形則被忽視，因此管端的外觀檢查尤其重要?？蓪⒐茏訚L動1周，目視檢查有無變形，如有可疑處，可調(diào)整MRP量規(guī)接桿，檢測該處螺紋中徑有無超差。例如，塔里木油田進口某特殊螺紋接頭油井管，用此方法就發(fā)現(xiàn)數(shù)十根管端變形的管子，均按報廢處理，并獲得賠償。

檢測中，還需考慮鍍層厚度、鍍層不均勻問題。通常，鍍層會使外螺紋外徑增大，內(nèi)螺紋內(nèi)徑減小。

2.2.2.2 密封結(jié)構(gòu)

基于特殊螺紋密封結(jié)構(gòu)的特點，在檢測過程中，特殊螺紋的主密封、副密封相關(guān)尺寸是必檢項目，包括密封面的外觀、密封直徑、密封錐度、密封面長度等。密封直徑用類似MRP量規(guī)檢測，通常取密封面任意垂直2個方向檢測值的算術(shù)平均值為最終檢測結(jié)果。但由于密封面本身就容易出現(xiàn)橢圓度的問題，因此按平均值來判斷密封直徑是否合格并不科學，而按密封面任意方向檢測值均符合密封直徑公差來判斷是否合格才應該是可取的。

2.2.2.3 扭矩臺肩

考慮到扭矩臺肩不但起到保護主密封的作用，而且可提高接頭抗壓縮、抗過扭矩的能力，在檢測中，首先要確定扭矩臺肩的形式，采用扭矩臺肩位置量規(guī)檢測端面至扭矩臺肩的長度。對于扭矩臺肩的主臺肩和輔助臺肩厚度、高度必要時也應該檢測。

2.2.2.4 螺紋形狀

特殊螺紋的牙型高度、螺距、錐度屬于常規(guī)檢測項目，檢測方法與API BTC螺紋檢測方法完全相同（可參照美國石油學會標準——套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范API SPEC 5B，2008年第15版）。其中要注意的是：特殊螺紋的牙型高度、螺距、錐度等單項參數(shù)相對于API BTC螺紋，其公差帶方面均做了改動。有些特殊螺紋的內(nèi)、外螺紋牙型高度有差別，需用不同的牙型高度定位塊來調(diào)整零位，而在螺距、錐度檢測中，都分別增加了累積螺距、累積錐度的檢測。特殊螺紋的輪廓可用形狀通過規(guī)粗略檢測，形狀通過規(guī)完全嵌入特殊螺紋牙形內(nèi)為合格，部分嵌入則為不合格。

2.2.2.5 其他幾何尺寸

需檢測外螺紋的完整螺紋長度、鏜孔內(nèi)徑，內(nèi)螺紋的接箍長度、外徑等相關(guān)幾何尺寸。

3 油井管特殊螺紋量值溯源

量值溯源是通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使檢測結(jié)果或檢測標準的值能夠與規(guī)定的參考標準聯(lián)系起來的一種特性。它要求針對自己檢測標準的相關(guān)量值，主動地與上一級檢定機構(gòu)取得聯(lián)系，追溯高于自己準確度（一般遵循1／10或1／3法則）的量值與之比較，確定檢測的準確性。

特殊螺紋檢測用量規(guī)由于涉及到專利，基本依賴于國外各生產(chǎn)廠家，導致特殊螺紋量值溯源自成體系，處于混亂，甚至于失控的狀況。無法保證生產(chǎn)廠家提供的專用量規(guī)是否經(jīng)過相關(guān)部門檢測合格、是否在合格有效期內(nèi)、是否進行了上一級的量值溯源等，這一系列問題缺乏必要的公正性和監(jiān)督機制，導致油田用戶無從知曉，對廠方提供的專用量規(guī)只能被動接受。這些問題的存在無疑將影響到現(xiàn)場檢測的正常進行以及檢測數(shù)據(jù)的準確性、公正性，存在嚴重的安全生產(chǎn)隱患。因此，為確保特殊螺紋量規(guī)量值的準確性，應能夠溯源到國家基準。在使用前，建議由相關(guān)部門對量規(guī)先進行校準，經(jīng)確認符合要求后，再交付油田使用。中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院特殊螺紋量值溯源體系框圖如圖7所示。

圖7 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院特殊螺紋量值溯源體系框圖

4 結(jié)論

1） 從油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點不難看出，密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺肩、螺紋形狀這3個最為重要的結(jié)構(gòu)部分是油井管特殊螺紋接頭檢測中的重點。

2） 油井管特殊螺紋接頭檢測應使用相應的特殊量具，主要分為板型量規(guī)和表式量規(guī)2大類。

3） 用戶在驗收油井管特殊螺紋接頭時，其檢測項目應包括外觀檢查、螺紋單項參數(shù)、幾何尺寸等方面

4） 特殊螺紋檢測用量規(guī)由于涉及到專利，基本依賴于國外各生產(chǎn)廠家自行提供，導致特殊螺紋量值溯源自成體系。為確保特殊螺紋量規(guī)量值準確性，在使用前建議由相關(guān)部門對量規(guī)先進行校準，經(jīng)確認符合要求后，再交付油田使用。

5） 建議建立國家統(tǒng)一的特殊螺紋量值溯源體系。

［1］ API Spec 5B，套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范［S］.14版.1996.

［2］ 呂拴錄，張福祥.塔里木油氣田非API油井管使用情況分析［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：70－74.

［3］ 劉衛(wèi)東，呂拴錄，韓 勇，等.特殊螺紋接頭油套管驗收關(guān)鍵項目及影響因素［J］.石油礦場機械，2009，38（12）：23－26.

［4］ 申昭熙，李 磊，王 鵬.特殊螺紋接頭主要參數(shù)對密封性能的影響分析［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：38－41.

［5］ 王新虎，申昭熙，王建東，等.特殊螺紋油管與套管的上扣扭矩構(gòu)成與密封性能研究［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：45－50.

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Structures Characterize and Measure Method of Premium Connection

WEI Dong，YI Xiao－ming，F(xiàn)ENG Zhen－jun
（Tubular Goods Research Institute，CNPC，Xi’an710065，China）

The thesis established a series of testing methods and acceptance criteria of special oil and gas industry，oil well pipe thread，through non－API OCTG thread structure of the special characteristics of three areas：sealing structure，torque shoulder，thread shape.It also organized the importance of the critical size which affected the quality of special thread oil casing with the particularity of thread detection API methods.

special thread connetion；sealing structure；torque shoulder；thread shape

1001－3482（2012）03－0013－06

TE931.2

B

2011－09－07

衛(wèi) 棟（1974－），男，江蘇宜興人，工程師，主要從事油井管產(chǎn)品研發(fā)及質(zhì)量控制等工作，E－mail：weidong001＠cnpc.com.cn。