特殊螺纹石油套管接头密封结构优选黄军

特殊螺纹石油套管接头密封结构优选黄军

黄军

中石化西南油气分公司物资供应中心四川成都610016

摘要：特殊螺纹密封结构形式是影响密封性能的关键因素之一，采用有限元分析方法对比两种不同的主密封结构形式-锥面/锥面和弧面/锥面在上扣、拉伸、弯曲及内压加拉伸载荷条件下的接触压力、接触长度及沿主密封面泄露穿透长度的变化，得到不同型面组合的密封能力随载荷的变化规律。得出新的密封准则为：密封接触表面之间的有效接触长度大于0.5mm，接触压力最大与最小值之差是内压的5.85以上，在有效接触压力及长度范围内接触表面塑性应变控制在材料屈服点应变范围内，可使密封结构达到抗黏扣和消除密封间隙的目的。

关键词：特殊螺纹；石油套管；接头密封；结构优选

1特殊螺纹接头密封特征和原理结构

1.1特殊螺纹接头特征

特殊螺纹接头是相对于API螺纹接头而言的。API螺纹接头在全球范围内应用非常广泛，但其性能并不能满足所有油井的需要，特别是在密封性和强度方面存在一定的问题。圆螺纹接头的连接处只能承受相当于管体断裂强度的60%-80%的拉伸载荷；偏梯形螺纹接头的密封性只相当于管体的30%左右。目前所研究开发的特殊螺纹接头在高连接强度、高密封性、防螺纹粘扣、抗应力腐蚀等方面已取得很大的进展，特殊螺纹接头能保持全面的管体压力，其连接强度比管体强度高1%-5%。尽管特殊螺纹接头的成本及维护费用较高，但在油井中的应用越来越广泛。在我国，许多油井也已开始使用特殊螺纹接头的油套管，我国在油田开发的早期，主要为2000m左右深的浅油井，使用按API标准生产的螺纹接头加密封脂，其连接强度和密封性能基本满足要求。在21世纪初期，金属对金属密封技术开始逐渐应用于油气井管柱，相继研制出了一系列采用金属对金属密封方式的石油管接头。金属对金属具有多种密封结构形式，通常有柱面对柱面、圆弧对圆弧、锥面对锥面以及圆弧对锥面，通过分析和验证，锥面对锥面的密封方式具有更高的密封强度和可靠性。

1.2新型特殊螺纹接头密封原理和结构

提出一种新型特殊螺纹接头，该特殊螺纹接头采用直连型，包括公端和母端，公端和母端均设有联接螺纹和对顶台肩。公端和母端拧紧后，对顶台肩挤压产生接触压力形成辅助密封，内外联接螺纹承载面、导向面以及螺纹牙面同时挤压产生接触压力，确保螺纹部分无泄漏通道，形成主密封。

2锥面密封结构石油套管接头

石油套管接头由接箍和管体2部分组成，通过锥螺纹连接。笔者采用梯形特殊螺纹，螺纹牙的承载角为－3°，螺纹锥度采用1∶16，上扣完成时螺纹牙径向过盈量为0.14mm。在接头端部设有金属对金属的密封结构。r0为密封结构大端接触面半径，r1为密封结构小端接触面半径，密封面与轴向的夹角为α，定义为密封锥面夹角；扭矩台肩采用逆向结构，与径向的夹角为β，定义为台肩面承载角。密封面起到主要密封作用，扭矩台肩面起到辅助密封和过载保护的作用。FN为密封面上的接触力，N；Fτ为密封面上的摩擦力，N。接头密封结构采用金属对金属的锥面配合，上扣时，在扭矩的作用下接箍内部与管子外壁接触，随着扭矩的增加，密封面发生变形进而紧密贴合，直到密封面产生足够大的接触压力达到密封效果。一般情况下，在弹性变形的范围内，密封面的径向过盈量越大越好。

3密封锥面

过盈量外接头的密封锥面位于端部，容易产生应力集中，事实上在过盈量很小的情况下就会出现局部屈服。锥面径向过盈量较小，将导致密封面密封性能不足，过盈量过大，会产生较大面积的屈服，容易发生粘扣，因此要合理控制过盈量。上扣完成后，密封面之间的接触应力类似于厚壁圆筒，将接箍和管体简化成一块块小的厚壁圆筒，密封面处的管体为内筒，密封面处的接箍为外筒，根据厚壁圆筒理论可以计算出密封面上的最大径向过盈量。内筒和外筒的过盈配合模型。内筒的内径为r1，配合后外径收缩变成r2，接触面的径向压力为p；外筒的外径为r3，配合后的内径膨胀变成r2。由于上扣时接头不受内压和外压作用，所以pa=pb=0。内筒和外筒配合后的径向过盈量为δ，其中内筒的径向过盈量为δ1，外筒的径向过盈量为δ2，则有：δ=δ1+δ2（2）接触面的过盈量取决于径向压力p，由于过盈量δ较小，在计算时认为内筒的外径和外筒的内径都为r2。单独对厚壁圆筒进行讨论，采用极坐标分析圆筒任意一点的应力状态。内径为a，外径为b，内压p1，外压p2，圆筒应力分布为轴对称。

4特殊螺纹接头数控加工方法

提出的新型螺纹接头中内、外螺纹结构类似，以公端为例进行分析，研究其数控加工方法。由于特殊螺纹接头对尺寸精度和表面质量等要求比较高，并且套管生产为大批量生产，一般采用数控车床进行加工。使用无缝钢管加工该特殊螺纹接头公端，需要去除部分的钢材。通过分析去除部分的特点，可分为整块大区域1和螺纹牙型区域2两部分。第一部分为点H、I、J、K、M连线围成的整块大区域1，其中JK面锥度与螺纹锥度相同，倒角IJ和KM锥度与母端相应面锥度相同。采用菱形或圆形刀片进行粗车加工，按照H→I→J→K→M的路线加工出1∶16的锥面JK和两端的倒角IJ和KM。第二部分为螺纹牙型区域2，该区域为螺纹牙型部分，为改进型偏梯螺纹形式，有固定螺距σ，变齿宽。对梯形螺纹的数控加工方法和刀具选用已经有很多研究与应用，而通过分析该螺纹特点，如采用一次循环指令进行螺纹车削，只能车削出等齿宽螺纹，无法车削出变齿宽部分，因此需采用特殊工艺进行螺纹车削。常用的螺纹车削刀片有螺纹梳刀和单齿刀。由于该接头螺纹变齿宽，如采用梳型螺纹刀车削则也只能加工出等齿宽螺纹（与梳型螺纹刀齿宽相同），因此螺纹车削只能采用单齿立装或平装成型螺纹刀，而不能采用梳型螺纹刀。单齿成型螺纹刀齿宽与接头外螺纹最窄齿宽相同，且与接头外螺纹最窄齿宽螺纹的牙型相同。成型螺纹刀片综上分析，提出叠加车削法，引用多次螺纹切削循环指令进行接头螺纹车削，每次螺纹切削循环指令的切削速度不同，切削出的螺纹螺距不同，通过叠加，即可得出所需的固定螺距、变齿宽的锥度螺纹。引用次数N由接头外螺纹最宽齿齿宽B除以最窄齿齿宽A得到的数值向上圆整后确定，此接头最宽齿B=4.68mm，最窄齿宽A=3mm，则N=ＲOUNDUP（B/A）=2。因此引用两次循环指令进行该接头螺纹车削，第一次螺纹切削循环指令可切削出确定的螺纹牙型，第二次螺纹切削循环指令可切削出确定的螺纹牙型，两次切削出的螺纹叠加即为提出的变齿宽螺纹。

5结语

采用数控车床加工具有加工精度好、效率高等特点，尤其对于特殊结构的螺纹加工具有独特的优势，是目前石油套管用特殊螺纹接头加工的普遍做法。文中所提出的套管特殊螺纹接头采用全新的螺纹密封形式，通过分析其结构特点，提出引用多次螺纹循环指令进行螺纹车削的方法，并基于FANUC数控系统进行了编程举例。文中提出的加工方法也可以用于其他产品的类似螺纹生产中，以实现螺纹的高精度、高效率数控加工。

参考文献：

[1]闫凯，杨力能，上官丰收，等．气密封特殊螺纹接头加工方法的改进[J].组合机床与自动化加工技术，2012（7）：103－105．

[2]廖凌，崔顺贤，叶顶鹏，等．汉廷特殊螺纹接头油套管的技术特点与应用分析[J].钢管，2009，38（4）：44－47．