胡志立，李小兵，李建亮，付 強，吳 丹，張垂貴，李 健，胡新太

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

目前，當含腐蝕性介質的油氣井溫度超過350℉（176℃），需要采用鎳基合金或鈦合金油套管來滿足惡劣的服役井況［1-4］。鎳基合金雖然耐蝕性較好，但其管材也存在加工工藝復雜，生產(chǎn)技術難度大，高溫力學穩(wěn)定性差等缺點［5-6］。鈦合金在耐應力、中高溫力學性能、耐腐蝕、耐高溫高壓、可焊接性、機械加工、抗震性等方面均優(yōu)于鎳基合金，其在高腐蝕性井況及海洋油氣領域具有巨大的應用潛力［7-11］。此外，鈦合金的密度約為鎳基合金的一半，所以在相同井深下，鈦合金管柱自身質量產(chǎn)生的軸向載荷約為鎳基合金管的一半，同時鈦合金管每米的價格要遠低于鎳基合金管每米的價格。

由于鈦合金材質與普通碳鋼差異較大，所以普通碳鋼的螺紋接頭參數(shù)不適用于鈦合金螺紋接頭［12-13］?，F(xiàn)介紹衡陽華菱鋼管有限公司開發(fā)的一種鈦合金螺紋接頭HSTI，并分析其密封性能，以期為鈦合金螺紋接頭的開發(fā)提供參考。

1 結構特點

鈦合金管特殊螺紋接頭的螺紋結構、牙型設計、螺紋過盈量、密封過盈量等均與普通碳鋼的有區(qū)別。

（1）齒形。螺紋牙采用改進的偏梯形螺紋，螺紋錐度1∶16，螺紋齒頂、齒底平行螺紋軸線，內螺紋的齒高大于外螺紋齒高。螺紋導向面要有合理的間隙，間隙過大不利于接頭壓縮性能，間隙太小螺紋易黏結。

（2）螺紋脂儲存槽。由于鈦合金材質較軟，易變形，為防止過量的螺紋脂憋壓過大對密封面穩(wěn)定的接觸狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響，在密封面前后分別設計螺紋脂儲存槽結構，方便儲存過多的螺紋脂。

（3）密封面及臺肩。采用小錐度的錐面+弧面/錐面密封結構，使得密封接觸狀態(tài)更穩(wěn)定。負角度的逆向臺肩，起到上扣定位作用，并提高了接頭抗壓縮和彎曲性能。

（4）表面處理。鈦合金的摩擦因數(shù)較高，螺紋接頭易發(fā)生黏著磨損，所以需要對其表面進行改性，以提高接頭的耐磨減摩性能，一般直接在鈦合金接箍表面磷化和鍍銅時，鍍層容易脫落，需要先預鍍鎳再鍍銅，這在試驗中也得到了驗證。

2 有限元分析

以Φ88.90 mm×9.525 mm規(guī)格鈦合金管為例，利用ABAQUS有限元分析軟件，對特殊螺紋接頭HSTI的接觸部位進行網(wǎng)格細化，具體如圖1所示，螺紋部位細化網(wǎng)格為0.1 mm，密封面和臺肩部位細化網(wǎng)格為0.05 mm，采用四節(jié)點四邊形單元CAX4，接觸模式為面對面接觸。取材料彈性模量108 GPa，泊松比0.32，材料模型采用雙線性強化模型，根據(jù)接頭材料的實際性能輸入真實應力、真實應變數(shù)據(jù)。根據(jù)接頭的受力情況施加邊界條件。根據(jù)接頭的結構和受力特點，將其按軸對稱問題處理，且將接頭的接箍中面處理為對稱面，該截面內各點只有徑向位移自由度；為消除管端效應，建模時取管體長度約為螺紋長度的3倍。建模時引入以下簡化和假設：螺紋的螺旋升角很小，忽略其影響，把接頭視為軸對稱結構；接頭的材料視為均勻的各向同性體；接觸面的摩擦因數(shù)與實際接觸面粗糙度及螺紋脂類型有關，根據(jù)前期試驗反饋，螺紋部位及密封面和臺肩部位取相應的摩擦因數(shù)。

圖1 特殊螺紋接頭HSTI的有限元模型接觸部位網(wǎng)格細化

特殊螺紋接頭HSTI在上扣狀態(tài)下的等效應力云圖如圖2所示?？梢钥闯觯航宇^螺紋部位等效應力較低，鼻端部位應力較高；其中密封部位應力達到最大，但低于材料屈服強度，密封部位較高的接觸應力有利于接頭的密封性能；整體接頭應力分布合理。

圖2 特殊螺紋接頭HSTI在上扣狀態(tài)下的等效應力云圖

保證密封完整性是特殊螺紋接頭設計中最重要、最難的一個環(huán)節(jié)，是為了保證接頭在井筒下不發(fā)生泄漏，按照ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》CALⅣA系試驗進行復合加載，分析特殊螺紋接頭HSTI的密封性能，復合加載點見表1。

表1 ISO 13679∶2002標準CALⅣA系試驗復合加載點數(shù)值

特殊螺紋接頭HSTI在上扣和拉伸下的密封接觸壓力分布曲線如圖3所示。從圖3可以看出：密封接觸壓力曲線呈現(xiàn)較好的馬鞍形，中間下降較平緩；在上扣及14個復合加載點下，密封接觸長度基本保持在2.0～2.4 mm，密封接觸壓力分布較合理，表明其保持非常良好的密封接觸狀態(tài)，說明其密封性很好。

圖3 特殊螺紋接頭HSTI在上扣和拉伸下的密封接觸壓力分布曲線

采用冪指數(shù)積分密封指數(shù)判斷準則來定量評價接頭的密封性能。針對熱采井，Murtagian和Xie均提出，冪指數(shù)積分密封指數(shù)Wa定義為密封面上接觸應力σ的n次方對接觸長度L的積分［14-16］：

其中，采用螺紋脂時n取1.2，無螺紋脂時n取1.4。

基于大量的試驗和有限元分析，Xie提出密封指數(shù)臨界值Wac按公式（2）進行計算：

式中P管——管柱內氣壓，MPa；

P氣——大氣壓力，MPa。

因此，要保證接頭密封性能，需滿足Wa≥Wac。

特殊螺紋接頭HSTI在上扣及復合加載點下的密封指數(shù)與臨界密封指數(shù)對比曲線如圖4所示。從圖4可以看出：特殊螺紋接頭HSTI在所有加載點的密封指數(shù)值均遠大于理論臨界密封指數(shù)值，表明該接頭具有優(yōu)異的密封性能。

3 實物試驗

3.1 上卸扣實物試驗

圖4 特殊螺紋接頭HSTI在上扣及復合加載點下的密封指數(shù)與臨界密封指數(shù)對比曲線

上卸扣試驗可以檢驗螺紋接頭的抗黏結性能，是上扣完整性能的直接體現(xiàn)，也是開發(fā)螺紋接頭的第一步。由于鈦合金材質摩擦因數(shù)高，質軟，材質間很容易發(fā)生黏著，而且一般化學鍍磷化層很難附著在鈦合金基體上，導致鈦合金螺紋接頭很容易發(fā)生螺紋黏結，需要先預鍍鎳再電鍍銅。經(jīng)過實物試驗驗證，特殊螺紋接頭HSTI可以滿足標準ISO 13679∶2002油管螺紋上扣10次不黏結的要求。特殊螺紋接頭HSTI卸扣后的宏觀形貌如圖5所示，螺紋接頭表面光滑，沒有發(fā)生螺紋黏結現(xiàn)象。

圖5 特殊螺紋接頭HSTI卸扣后的宏觀形貌

特殊螺紋接頭HSTI的上扣扭矩曲線如圖6所示。其中，綠線和紅線是圈數(shù)—扭矩曲線，藍線是時間—扭矩曲線。從圖6可以看出：螺紋配合段及密封配合段產(chǎn)生的扭矩保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，也反映出螺紋接頭表面狀態(tài)完好，沒有發(fā)生螺紋黏結現(xiàn)象，同時表明接頭螺紋過盈量和密封過盈量設計較合理。

圖6 特殊螺紋接頭HSTI的上扣扭矩曲線

3.2 復合加載實物試驗

復合加載試驗是檢驗接頭在拉伸、壓縮、內壓、外壓、彎曲、高溫等復合工況下的氣密封性能。經(jīng)過ISO 13679∶2002標準CALⅣ一系列全尺寸實物試驗評價，鈦合金特殊螺紋接頭HSTI未發(fā)生泄漏或其他結構失效，成功通過了ISO 13679∶2002標準CALⅣ試驗驗證，表明該特殊螺紋接頭具有優(yōu)異的密封性能，其拉伸、壓縮、內壓、外壓效率達到管體的100%。

4 結 語

特殊螺紋接頭HSTI是針對鈦合金材質而專門開發(fā)的高性能特殊螺紋接頭。該接頭具有良好的抗螺紋黏結性能；有限元分析和全尺寸實物試驗評價表明該接頭具有優(yōu)異的密封穩(wěn)定性能，在復合加載下，其內壓、外壓、拉伸、壓縮等效率均達到管體的100%。