王 雷，胡海波，左 斌

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，天津 300280）

0 引言

油管通過端部螺紋進行連接成長管柱，下入油井石油套管中用于輸送油氣到地面或者注入介質(zhì)，是石油開采中必不可少的裝備。隨著油氣開采范圍的擴大，油氣井工況愈加苛刻，深井、超深井、水平井、富含腐蝕介質(zhì)油氣井比例逐年提高，對油管的性能提出了更高的要求。其中，螺紋接頭是油管的薄弱環(huán)節(jié)，常規(guī)的API 標準接頭在密封性和強度上已經(jīng)難以滿足惡劣工況使用要求。特殊螺紋相比API 螺紋，具有更好的密封性能、連接強度和抗粘結(jié)性能，抗腐蝕性能也優(yōu)于API 螺紋，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)油氣田中，受到越來越多的油田用戶和油套管生產(chǎn)廠家的重視，并投入大量的精力進行特殊螺紋設(shè)計開發(fā)工作。

現(xiàn)階段特殊螺紋設(shè)計技術(shù)重點關(guān)注密封區(qū)的密封性能和應(yīng)力分布，而特殊螺紋多采用API 偏梯螺紋或改良型螺紋，齒形對螺紋接頭性能的影響還有待于進一步深入研究。本文對螺紋齒形進行有限元分析，對比了不同參數(shù)齒形的性能，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)選齒形參數(shù)，為油管特殊螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 油管特殊螺紋結(jié)構(gòu)概述

特殊螺紋的結(jié)構(gòu)可以劃分為螺紋區(qū)、密封區(qū)和扭矩臺肩區(qū)3 個部分。螺紋區(qū)一般不需要承擔密封功能，主要起到連接作用。密封區(qū)是在特殊螺紋中的獨立結(jié)構(gòu)部位，一般通過金屬—金屬的過盈配合，使得特殊螺紋具有可靠的密封性能和較強的抗內(nèi)壓強度。扭矩臺肩一般設(shè)置在管端位置，它吸收了大部分扭矩，從而使螺紋部分承載的扭矩降低，應(yīng)力分布更加合理，降低了粘扣風險。特殊螺紋的設(shè)計開發(fā)要求特殊螺紋具有較高的連接強度、較好的密封性能、較低的應(yīng)力和低粘扣風險。特別對于油管特殊螺紋接頭，一些試驗標準（API 5C5—2017）規(guī)定油管上卸扣試驗次數(shù)為9次，要求螺紋具有較好的抗粘扣性能。除表面處理，如磷化和鍍銅等方式降低粘扣風險外，在設(shè)計上螺紋應(yīng)具有較低的應(yīng)力。油管接頭在井內(nèi)除受到內(nèi)外壓之外，還會受到軸向方向的拉力或者壓縮力，并且會交替施加在螺紋接頭，降低接頭的性能，所以螺紋接頭也應(yīng)有較強的抗交變載荷能力。

為了優(yōu)化螺紋接頭應(yīng)力分布，改善螺紋接頭的連接性能，探究螺紋齒形對特殊螺紋接頭性能的影響，本文對螺紋齒形的牙頂牙底方向、承載面角度、導(dǎo)向面角度、導(dǎo)向面間隙等參數(shù)進行對比分析，通過比較不同齒形下特殊螺紋的性能，達到對特殊螺紋接頭進行優(yōu)化設(shè)計。本文研究的螺紋接頭其他區(qū)域參數(shù)為扭矩臺肩角度為-15°，密封面為錐面對錐面的金屬密封方式。

特殊螺紋的螺紋配合一般分為兩種類型：一種為齒頂—齒底配合，承載面之間有間隙，有助于螺紋脂的儲存和分布，粘扣風險低；另一種為承載面—導(dǎo)向面配合，連接強度和抗壓縮載荷能力更強，但有一定的粘扣風險。本文主要考慮的配合方式為較為常用的齒頂—齒底配合（圖1）。

圖1 齒頂—齒底配合螺紋齒形示意

2 齒形參數(shù)分析

2.1 齒頂和齒底方向

特殊螺紋齒頂和齒底方向主要有兩種，一種螺紋齒頂和齒底平行于管體軸線，另一種螺紋齒頂和齒底平行于螺紋錐線（圖2）。

圖2 螺紋齒頂和齒底的方向示意

一般認為，齒頂和齒底平行于螺紋錐線的螺紋便于引扣，而齒頂和齒底平行于管體軸線的螺紋上扣時能夠自動糾正裝配偏心現(xiàn)象，避免錯扣發(fā)生。但對于這兩種齒形對于螺紋應(yīng)力影響的研究較少。通過有限元分析，在其他參數(shù)相同的情況下，通過對齒頂和齒底平行于管體軸線和齒頂和齒底平行于螺紋錐線的螺紋分別進行有限元分析，對比接頭的整體應(yīng)力分布情況。

從分析結(jié)果可以看出，在模擬螺紋上緊的情況下，齒頂和齒底平行于軸線的螺紋應(yīng)力明顯低于齒頂和齒底平行于錐線的螺紋。對于齒頂和齒底平行于錐線的螺紋，其中首扣位置螺紋齒的應(yīng)力高于材料的屈服強度，說明高應(yīng)力區(qū)的螺紋齒已經(jīng)發(fā)生了屈服現(xiàn)象，且齒頂和齒底平行于螺紋錐線的螺紋接頭應(yīng)力分布較齒頂和齒底平行于軸線的螺紋不均，所以齒頂和齒底平行于錐線的螺紋相比齒頂和齒底平行于軸線的螺紋粘扣風險更高。所以在油管特殊螺紋設(shè)計時，行業(yè)中通常油管螺紋的齒頂和齒底的方向設(shè)計為平行于管子軸線，以降低粘扣風險（圖3）。

圖3 螺紋齒應(yīng)力分布情況

2.2 承載面角度研究

螺紋承載面是螺紋的主要受載荷部位，與螺紋連接性能關(guān)系較大。不同角度的承載面，螺紋的連接強度和應(yīng)力不同，常見的承載面在3°～-6°。選取螺紋承載角度為3°、0°、-3°、-4°、-5°、-6°，利用有限元軟件分析接頭的應(yīng)力狀態(tài)、抗拉伸和壓縮性能、密封性能。通過有限元分析結(jié)果可以看出，在上扣狀態(tài)下，不同承載面角度的應(yīng)力不同（圖4）。承載面負角度越大，接頭應(yīng)力越高，臺肩應(yīng)力越高，螺紋首個完整扣應(yīng)力越高。

圖4 承載面角度和接頭應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變

在螺紋受到軸向交變載荷力作用下，不同承載面角度的螺紋，其等效塑性變形量也有所不同。一般認為，等效塑性應(yīng)變值大于0 表明材料發(fā)生了屈服，而且隨著分析步的增多，等效塑性應(yīng)變值累計增大。不考慮內(nèi)外壓作用，模擬油管在井內(nèi)受到的軸向力。在有限元分析軟件中，對螺紋接頭施加95%管體屈服強度拉力作用后，再施加95%管體屈服強度壓縮力作用，觀察螺紋的等效塑性應(yīng)變。從圖4 可以看出，正角度的等效塑性應(yīng)變大于負角度，負角度越大，等效塑性應(yīng)變越大。綜合考慮以上因素，螺紋承載面角度-3°最佳。

2.3 導(dǎo)向面角度研究

螺紋導(dǎo)向面和螺紋的上卸扣性能及抗壓縮性能相關(guān)。導(dǎo)向面角度越大，越有利于螺紋上扣，但過大的導(dǎo)向面會影響螺紋接頭的抗壓縮性能。目前常見螺紋的導(dǎo)向面角度在10°～45°，為此，設(shè)置導(dǎo)向面角度為10°、15°、25°、30°、35°和45°，利用有限元軟件分析螺紋的抗壓縮性能。

在95%管體屈服強度壓縮載荷作用下，隨著導(dǎo)向面角度的增大，臺肩的軸向力值逐漸升高。導(dǎo)向面角度大于25°時，臺肩軸向力增加幅度呈現(xiàn)增大趨勢。導(dǎo)向面45°時，臺肩軸向力最大。同時，臺肩部位的等效塑性應(yīng)變值也在增大，其中10°時的等效塑性應(yīng)變值最低，45°時的等效塑性應(yīng)變值最高。圖5 分別展示了導(dǎo)向角為25°、35°和45°的螺紋臺肩在壓縮工況下的應(yīng)力分布情況。從圖5 可以看出，齒形角越大，臺肩部位的應(yīng)力越大，塑性變形的概率越大。綜合考慮以上因素，導(dǎo)向面角度選擇范圍應(yīng)在10°～25°，螺紋抗壓縮性能最佳。

圖5 不同導(dǎo)向角的臺肩部位應(yīng)力分布

2.4 導(dǎo)向面間隙研究

螺紋導(dǎo)向面間隙主要起到儲存螺紋脂、降低螺紋粘扣風險的作用。選取螺紋導(dǎo)向面間隙為0.02 mm、0.04 mm、0.06 mm、0.08 mm、0.10 mm 進行分析，先施加95%管體屈服強度軸向拉力，再施加95%管體屈服強度軸向壓縮力，模擬油井內(nèi)螺紋接頭受到的拉伸和壓縮。通過有限元分析可以看出，螺紋導(dǎo)向面間隙越大，螺紋接頭的等效塑性應(yīng)變值越高。這是因為螺紋受到軸向方向交變載荷力的作用發(fā)生軸向移動，在螺紋齒部位發(fā)生一定塑性變形，螺紋間隙越大，等效塑性應(yīng)變值就越大，容易發(fā)生塑性變形。所以反復(fù)受到不同方向軸向力的加載和卸載作用，容易導(dǎo)致螺紋損壞。螺紋間隙應(yīng)根據(jù)齒高、承載角和倒角的不同，綜合考慮設(shè)計取值范圍，原則上不宜過大。

3 結(jié)論和建議

（1）螺紋部分是油管特殊螺紋接頭設(shè)計的關(guān)鍵要素，特別是油管要求具有較好的抗粘扣性和連接強度，其中螺紋的齒形對螺紋接頭的連接性和使用性至關(guān)重要。螺紋齒形設(shè)計合理才能降低螺紋粘扣風險，提高接頭連接強度。

（2）螺紋齒形的齒頂和齒底方向、承載面角度、導(dǎo)向面角度和導(dǎo)向面間隙對螺紋的使用性和應(yīng)力分布都有直接影響。在螺紋設(shè)計時，首先應(yīng)考慮螺紋接頭具有較低的應(yīng)力，并在受到交變載荷作用下、不同方向力加載和卸載的情況下，能夠避免發(fā)生較大或區(qū)域性的塑性變形，從而防止接頭失效。

（3）本文使用有限元分析技術(shù)，對螺紋的頂和齒底方向、承載面角度、導(dǎo)向面角度等參數(shù)進行分析。結(jié)果表明，齒頂和齒底平行于軸線方向、承載面角度為-3°、導(dǎo)向面角度10°～25°時，接頭的應(yīng)力和抗軸向載荷力能力最佳。