摘要：API标准石油套管螺纹接头由于结构设计缺陷，其密封性能不能满足高温高压的使用需要。提出锥面与圆弧面配合的特殊螺纹接头密封结构形式，采用具有辅助密封效果的倒钩抗扭矩台肩，通过优化选取密封面的锥度、长度及过盈量，严格控制密封面的接触压力，保证结构具有良好的密封性能。全尺寸评价实验结果表明，该接头的密封性能达到了使用要求，说明确定的特殊螺纹密封设计方法是可行的。
关键词：特殊螺纹接头；接触压力；密封性能；全尺寸实验
随着石油资源的日益紧缺，国内外油田企业逐步转向海上和地下深层开采，而高温、高压以及环保等自然条件对螺纹密封的要求也越来越高[1-2]，这使得现在国内外油田广泛使用的系列规范化的API标准石油套管不能满足密封的需要[3-4]，表现为套管螺纹出现磨损及塑性变形或断裂等问题，导致套管螺纹接头早期失效[5-6]，要求企业必须选择其他的石油套管螺纹密封接头形式。目前，有许多关于API标准螺纹的研究成果，而高温和高压情况下使用的特殊螺纹设计方面的研究成果较为少见。为此，本文作者改进单纯依靠螺纹过盈配合与螺纹脂封堵实现密封的API螺纹，通过采用改进接头的锥面结构、扭矩台肩、制造误差等措施，利用金属与金属的过盈配合及连接扭矩控制接触压力，保证结构和密封的完整性，这对提高石油套管接头的密封性能具有重要意义。
1 特殊螺纹接头密封结构及原理
石油套管螺纹标准牙形的轴向剖面如图1所示。图1中H为原始螺纹牙高度，P为螺距，hcs=hcn为螺纹牙顶削平高度，hrs=hrn为螺纹牙根削平高度，hs=hn为螺纹牙高度。螺纹拧紧后，在螺纹牙顶和牙底处分别存在有间隙，形成沿螺纹牙顶和牙底的螺旋线形渗漏通道，严重影响了螺纹的密封性能。一般API圆螺纹的间隙值高达0.076 mm。这一螺纹齿顶和齿底之间存在螺旋形泄漏通道是螺纹设计的固有缺陷，它与石油套管螺纹加工公差无关。API标准螺纹只有使用螺纹脂充填该通道，才能堵塞这一泄漏通道。
图1 石油管螺纹标准牙形
Fig 1 Standard thread form of casings connection
特殊螺纹克服了API标准螺纹设计的固有缺陷，使密封能得到显著改善。目前广泛采用的特殊螺纹密封结构如图2所示，套管接头分为螺纹、抗过扭矩台肩和密封结构面三部分。螺纹采用偏梯形螺纹，具有连接强度高和不易滑脱的优点，起联结和辅助密封作用；密封结构面采用锥面与带有圆弧的锥面的过盈配合，起到主密封作用；抗过扭矩台肩防止套管上扣时的过扭矩，起辅助密封作用。这种特殊螺纹接头结构将螺纹脂充填密封改为接触式密封，使套管的气密性能得到显著改善。
图2 特殊螺纹密封结构
Fig 2 Seal structure of premium connection
套管接头的管体与接头是相对静止的，密封的条件是要求接触压力大于内部流体的压力，提高密封效果的有力手段是提高接触压力和增加流体泄漏路径。但实际加工过程中的几何形状误差和表面粗糙度等原因，难于获得完全光滑的接触表面；另外载荷的变动势必会造成接触面压力的变化，这都会增大接触面的间隙而增加泄漏量。
基于流体力学，流体流经间隙时产生的阻力与间隙的长度成正比，而与截面积成反比，即
ΔF∝ Δl/S
(1)
式中：Δl为泄漏间隙的长度；S为泄漏间隙的截面积。
由式(1)可见，要提高套管接头的密封性能主要有以下4种方法：一是增加接触压力，减小泄漏间隙的截面积；二是增加管体与接头的接触长度，使泄漏间隙的长度增加；三是提高加工精度，以减小接触表面粗糙度和几何形状误差；四是控制轴向载荷的变动范围，保持获得必要的接触压力。
2 石油套管特殊螺纹接头的结构设计
2.1 密封结构设计
国内外有许多种类的特殊螺纹密封结构，但目前主要有锥面/锥面、锥面/球面、柱面/球面等密封形式，如图3所示[7-8]。
图3 特殊螺纹的主要密封结构形式
Fig 3 Main seal structure forms of premium connection
图3中，锥面/锥面密封结构有较长的流体泄漏路径，有利于提高密封效果，但表面粗糙度、尺寸精度及锥度误差等会使接触面大为减小，这在实际制造上有较大的困难；锥面/球面的密封结构要求内外螺纹之间有较大的拧紧力，使球面产生较大的变形量，保证套管受拉时也有足够的接触压力，以获得足够的接触压力和流体泄漏路径；柱面/球面密封结构要求柱面与球面有较大的装配过盈量，以保证足够的接触压力和流体泄漏路径，以获得较好的密封效果。
但这些方法在设计时都没有考虑各参数对接触应力的综合影响，在使用过程中容易出现黏扣和接触不良，影响产品质量。本文作者提出的设计方案如图4所示。
图4 设计的特殊螺纹接头密封结构
Fig 4 The designed seal structure forms
密封结构采用锥面与带有圆弧的锥面配合，套管带有外螺纹，接头带有内螺纹。将密封圆弧设计在接头的内部，这样在使用过程中不易划伤圆弧面，同时避开与现有专利技术的冲突，并通过控制连接扭矩避免接触应力产生黏扣和接触不良。
2.2 密封面锥度
石油套管螺纹接头相当于薄壁圆筒的过盈配合，圆筒接触面锥度的选择应使其有较高的接触压力，以提高密封性能。当主密封的锥形面和辅助密封的台肩都有过盈量存在时，在锥度减小到1/8之后,接头接触面的等效应力较大，会超过材料的屈服极限，在密封面产生塑性变形，使接触压力下降；而在锥度大于1/12之后，接头接触面的等效应力减小，使接触压力下降。由此可见，密封面的锥度过大或过小都不利于接头密封，密封面锥度的最佳取值范围为1/8～1/12。本文设计方案取密封面锥度为1/10。
2.3 主密封面长度
接头的密封要求有较长的密封长度，以增加泄漏路径的长度。当锥形接触密封面的长度较短时，较小的接触面积使接触压力较高，但有效接触长度较短，导致泄漏路径短；当锥形接触密封面的长度增加时，接触压力降低，但有效接触长度增加。当锥形接触密封面的长度超过8 mm后，有效接触长度基本不再增加，保持在2.4 mm左右。同时，锥度变化对密封面上的有效接触长度影响不大。为此，本文设计方案取锥形接触密封面的接触长度为9 mm。
2.4 锥面圆弧的变形量
套管接头锥面上的圆弧变形量直接影响接触压力，变形量与接触压力成正比关系。要获得良好的密封效果，可通过增加接触变形量来实现。但接触变形量增加过大，会出现塑性变形或接头黏结等。确定锥面上圆弧的变形从两个方面考虑，一是保证最小接触压力大于套管所承受的最大内压；二是接触应力小于套管材料的屈服强度。
变形量与密封面锥度和长度相比，其对接触性能的影响较大。当变形量超过某一数值以后，接触压力已接近于套管材料的屈服极限，若再增加变形量，接触压力也不再增加。在本文设计方案取最佳的变形量0.27 mm。
2.5 制造公差的限定
石油套管接头螺纹的主要参数有齿高、牙形角、锥度和中径等，公差主要是影响螺纹配合的过盈量，从而影响接触压力，降低密封性。选取较大的公差可能导致螺纹间隙增大，降低接触压力，增大泄漏间隙的截面积，影响密封效果；如果选择较小的公差，就要降低加工效率，提高生产成本。从螺纹公差控制角度考虑，希望在现有加工技术水平条件下，通过调整螺纹参数及公差控制，提高石油套管台肩处的接触压力，减小泄漏间隙的截面积，提高密封性能。
本文设计方案中，外螺纹公差取4h，内螺纹公差取5H。这在一定程度上可以满足螺纹的密封性能要求，又可以兼顾到加工精度及效率的需要。
3 特殊石油套管的连接扭矩
在螺纹连接过程中，如果扭矩过大，容易出现螺纹黏扣及材料屈服现象；如果扭矩过小，则使接触压力减小，轴向载荷的变动会产生因接触压力不足而出现的泄漏。为此，本文作者提出通过扭矩控制接触应力的方法，综合考虑各因素对接触应力(压力)的影响，解决现有设计方案的不足，提高套管接头的密封性能。
3.1 螺纹扭矩T1
石油套管螺纹属于锯齿形(或称偏梯扣)，拧紧石油套管相当于推动物体在斜面上运动，其扭矩大小为
(2)
式中：螺纹中径d2为在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径；螺纹升角φ为在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角；螺纹当量摩擦角φv是摩擦因数的逆正切角度；轴向力Q1为作用于石油套管轴向的力，包含石油套管的自重。
3.2 密封面扭矩T2
密封面扭矩是螺纹过盈量致使螺纹牙发生弹性变形。一般接头材料要好于套管材料或两者的材料相同，在此假设套管和接头的弹性变形相同。为简单起见，将接头(内螺纹)一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力Q2/n作用在中径d2的圆周上，则螺纹牙中径的弯曲变形量为
(3)
式中：L为螺纹牙高度(弯曲力臂)，L=(D-d1)/2；螺纹大径D为与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱体的直径，在有关螺纹的标准中称为公称直径；螺纹小径d1为与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱体的直径，是螺纹的最小直径；螺纹牙的过盈圈数n一般取2～3圈；螺纹牙的惯性矩I=πDb3/24，b为螺纹牙的牙根部厚度；E为套管(或接头)材料的弹性模量。
3.3 圆锥扭矩T3
拧紧石油套管的外圆锥螺纹沿着接头的内圆锥螺纹运动，相当于螺旋推动套管挤压进入接头，其轴向力与挤压力之间的关系为
Q3=N·sinγ
式中：γ为接头的圆锥斜面角度；N为两圆锥体之间的接触变形力。
圆锥的挤压力计算公式为
N=2A·tanγ·E·S
式中：A为套管与接头接触后的移动距离；S为套管与接头的接触面积。
套管圆锥扭矩T3大小为
(4)
3.4 台肩扭矩T4
当石油套管头部的止力矩环与接头的止力矩环相互接触时，两者之间将发生圆环状接触，其产生的轴向力Q4急剧增大，并趋于无穷大。
台肩扭矩T4大小为
(5)
式中：f为套管止力矩环与接头止力矩环间的摩擦因数，取f=0.15；D1为套管止力矩环的内径；D0为套管止力矩环的外径。
止力矩环的挤压力计算公式为
式中：ε为套管止力矩环与接头止力矩环接触后的移动距离。
在计算时，一般不考虑台肩扭矩。在实际套管连接作业时，扭矩突增20%就认为套管和接头的止扭矩环已经接触，作业合格。
3.5 石油套管的连接扭矩
拧紧石油套管螺纹的扭矩为各扭矩之和，即
T=T1+T2+T3+T4
(6)
石油套管最大扭矩的确定原则，拧紧过程中石油套管(或接头)的螺纹表面的应力不得超过材料屈服极限σS的80%，确保轴向载荷变动时不超过材料的屈服极限。
4 全尺寸实验
在螺纹接头的设计中，进行全尺寸实验是检验设计结果的重要方法。本文作者利用专用数控螺纹加工机床，在P110钢级、尺寸规格为φ244.48 mm×13.84 mm的石油套管上加工了设计的特殊螺纹，选择5个接头和10根套管试样，共10组螺纹配合形式，10组螺纹配合包含密封变形量可能出现的几种情况，使其具有代表性，实验按API RP 5C5 标准进行。
实验项目主要有螺纹参数检测、上下扣试验、气密封试验及水密封试验。试验结果表明，该接头的检测结果符合要求，上下扣与密封试验达到了规定的要求，与同钢级和规格的圆螺纹及偏梯形螺纹石油套管相比具有很大的密封优势。目前该石油套管已经在新疆油田、四川油田、长庆油田等的超深井中使用，使用结果表明该套管达到了国外同类产品的水平。
5 结论
(1)提出的特殊螺纹接头设计方案采用锥面与圆弧面配合的密封结构形式，采用金属与金属的接触变形形式，相比传统的API螺纹密封结构具有良好的密封性能。
(2)密封结构设计的准则是要保证密封面具有足够的接触压力，防止接触应力过大发生黏扣和塑性变形的方法就是控制密封锥面圆弧的接触压力为材料屈服强度的80%左右。
(3)抗扭矩台肩取反向角度能起到良好的辅助密封效果，同时可以起到防止石油套管和接头拧紧作业过程中的过载，按石油套管最大扭矩的确定原则，要求拧紧时的螺纹表面应力不超过许用应力的80%。
