黃繼慶，胡海波，苑承波

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

螺紋連接是油套管的主要連接方式，也是管柱最薄弱的環(huán)節(jié)，油套管約有80%的失效發(fā)生在螺紋連接部位。API標準的螺紋在保證井下管柱的結構完整性和密封完整性方面均存在不足，不能用在高壓、高腐蝕等嚴酷環(huán)境下的油氣井。而特殊螺紋具有較高的連接強度及抗變形能力，并具有良好的密封性能，可以應用于嚴酷條件的油氣井。特殊螺紋設計的核心主要包括優(yōu)化密封面、扭矩臺肩和連接螺紋參數，降低應力集中、保證密封性能、減少塑性變形，從而保證油套管的結構完整性和密封完整性。

1 特殊螺紋接頭性能要求

1．1 良好的密封性能

油套管在井內一般可以歸為三個軸方向的受力，主要包括管柱所受的拉力、外部擠壓力、內部膨脹壓力以及三種應力組合。要求特殊螺紋接頭不僅有較好的抗拉、抗壓性能，在交變載荷和高溫情況下具備較好的密封性能。

1．2 抗粘扣性能

特殊螺紋的螺紋和密封區(qū)的過盈量都采取較高的數值，在上卸扣過程中發(fā)生粘扣的概率較高?？拐晨勰芰κ强疾焯厥饴菁y性能的重要指標之一。

1．3 可加工性

因特殊螺紋具備較復雜的結構，其可加工性也是衡量特殊螺紋是否實用的重要指標。主要體現在加工時間和加工成本方面。

2 特殊螺紋接頭密封面設計

2．1 密封結構的設計

密封結構的設計主要包括密封結構的選擇和密封過盈量的確定。密封結構因接觸方式不同可分為兩類：線接觸結構與面接觸結構。在相同的極限密封壓力下，線接觸密封過盈量較高，面接觸略低。如果密封錐度很大，施加張力時，在密封區(qū)的密封壓力會顯著地減小；如果密封錐度太小，在裝拆期間會由于滑動距離的增大而在密封面上發(fā)生擦傷。密封錐度應大于螺紋錐度。密封接觸長度因結構不同存在，常見的球面對錐面為代表的線接觸密封形式，其高壓面接觸長度約1.5mm，而以錐面對錐面為代表的面接觸密封形式，根據結構不同，其接觸長度在2～7mm。特殊螺紋在設計過程中，宜選擇將密封面放在靠近螺紋的位置，相比靠近管端的位置，即使在現場操作期間管端受到磕碰，密封面也很難被破壞。

2．2 密封過盈量的設計

密封面的接觸壓力越高，接頭的氣密封性越好。接觸壓力的高低，來自于過盈量的大小。較小的過盈量，在受力情況下密封面易產生泄漏通道。而較大的過盈量會使螺紋變形，造成粘扣。過盈量的確定主要依據以下原則：（1）密封接觸壓力小于材料屈服強度；（2）密封接觸壓力大于管體內屈服壓力；（3）密封面應具有較大的平均接觸壓力和較低的峰值接觸壓力及接觸長度，上卸扣過程中不易粘扣。為了防止產生塑性變形，過盈量一般要小于材料的比例極限應變量。最大過盈量的計算公式如下：△Smax=σp×OD

式中，σp為比例極限應變量；OD為管子外徑。

而最小過盈量的確定，則要大于管體的內屈服壓力，計算公式如下：△Smin=2d×dt2×P/E（dt

2-d2）

式中，d為嚙合處直徑；dt為接箍外徑；P為內屈服壓力；E為彈性模量。

2．3 密封面精度

密封面表面粗糙度同樣會影響密封的實際使用性能。表面粗糙度越大，表面需施加的初始接觸應力越高，表面粗糙度越小，表面需施加的初始接觸應力越低。常見特殊螺紋接頭密封面粗糙度一般選取在0.8～3.2um。

3 特殊螺紋接頭扭矩臺肩設計

扭矩臺肩主要起到提高接頭抗粘扣和抗過扭功能。負角度的扭矩臺肩密封性能要優(yōu)于直角臺肩。但負角度過大會使母螺紋臺肩面剛度降低，加工困難。因此，一般負角度都控制在15°以內。扭矩臺肩的設計還應該考慮接箍中孔長度。如果中孔長度過短，兩個管螺紋的扭矩臺肩會對中孔產生相交的附加力，易造成中孔位置尺寸的變化。中孔長度Ld（如圖1所示）應滿足以下關系：

Ld＞2Lp=2Ls×（sin15°+cos15°）。

式中，Ld為接箍中孔長度；Lp為扭矩臺肩影響區(qū)長度；Ls為扭矩臺肩厚度。

圖1 扭矩臺肩中孔

4 特殊螺紋接頭螺紋設計

4．1 螺紋配合方式設計

螺紋的配合方式主要有兩種，一種為承載面-導向面配合，一種為齒頂面-齒根面配合。承載面-導向面配合，僅在螺紋牙頂和牙底之間存在間隙，螺紋具有較高的抗壓縮載荷能力和連接強度。這種配合方式對加工精度的要求極高。齒頂面-齒根面配合，在承載面和導向面之間、齒頂和齒根之間均存在間隙。這需要控制牙側之間的間隙，以保證螺紋在受到壓縮載荷時，牙側彼此接觸?；谝訟PI偏梯扣螺紋的特殊螺紋，牙側間距選擇在20～90μm時，可以具有較好的抗壓縮載荷能力。

4．2 螺紋承載面和導向面角度設計

螺紋接頭根據承載面和導向面角度的不同，主要分為四種，主要有雙正角度，導向面正角度、承載面負角度，導向面正角度，承載面直角和雙負角度。承載面角度的降低，可以有效地提高抗壓縮等性能。但是，負角度承載面也存在加工和表面處理困難等問題。較大的導向面角度有利于上扣，但導向面角度過大會降低接頭的抗壓縮性能。新日鐵的研究表面，當齒形角半角的正切值小于接觸面系數時，接頭不會發(fā)生滑脫，計算方法如下：

tanθ≤μ

式中，θ為齒形半角；μ為接觸表面的摩擦系數。

4．3 螺紋錐度設計

在錐度設計方面，一些接頭采用API螺紋的錐度1：16，而另一些接頭錐度不同于API標準錐度。加大錐度可以提高接頭的對扣性能和改善接頭的應力分布，受壁厚限制，較大錐度只適用于厚壁管。

4．4 螺紋嚙合長度的確定

在拉伸載荷作用下，螺紋會產生根部滑移和塑性脫扣滑移的傾向，主要失效形式是塑性脫扣滑移，以API偏梯螺紋為例，其根部滑移距離為2.50mm，塑性脫扣滑移距離為2.23mm（圖2所示）。

圖2 拉伸載荷下螺紋的滑脫傾向

若滿足螺紋的連接強度大于管體，計算公式如下：

n≥σt/τl

式中，n為嚙合螺紋齒數；τ為剪切屈服強度MPa；σ為屈服強度MPa；τ/σ≈2；l為塑性脫扣距離mm；t為管子壁厚mm。如外徑139.7mm鋼管，壁厚12.7mm,每英寸5牙，計算n≥2×12.7/2.23≈11.4，有效螺紋長度為58mm。

4．5 表面處理方式

特殊螺紋的上卸扣性能通常要求套管和油管分別能承受3次和10次重復上卸扣試驗而無粘扣現象。一般對于碳鋼和Cr-Mo鋼，主要選用磷化處理，如果油套管應用在高溫工況條件，需要進行鍍銅處理。對于高合金材料，應用噴砂和鍍銅相結合的方式進行。

5 結語

特殊螺紋的設計既需要有較豐富的螺紋加工經驗，也需要具備有限元分析的能力。特殊螺紋的研制是一個復雜而又漫長的工作。就特殊螺紋的設計研究，在今后的工作中，應該重點關注以下幾點：（1）密封面是特殊螺紋設計中關鍵的部位，結構形式、過盈量、接觸位置、粗糙度等參數都會對螺紋的氣密性產生影響，設計中應聯合考慮。（2）扭矩臺肩不僅起到密封作用，還能提高螺紋的抗粘扣性能和壓縮性能等。特別是在設計高抗壓縮性能的螺紋接頭時，應合理設計扭矩臺肩尺寸，提高接頭整體性能。（3）螺紋設計應充分考慮螺紋的配合形式及單項參數的優(yōu)化，應均與嚙合螺紋的應力，降低螺紋粘扣的風險。