G3耐蚀合金油管特殊螺纹接头TP-G2的设计与开发

世界上约1/3的油气田中都含有H2S、CO2气体。我国油气资源的主产区如川渝地区、塔里木盆地均含H2S、CO2等腐蚀介质，对耐蚀合金管材需求量大［1-5］。由于高含硫油气田埋藏深，普遍存在高温、高压、高腐蚀（三高）环境，油套管接头处要经受拉伸、压缩、弯曲、内外高压、高温-低温等交变载荷，API标准螺纹接头无法满足使用要求，必须使用可靠性高的油井管特殊螺纹接头产品［6-11］。

2010年之前，我国耐蚀合金油管特殊螺纹的生产尚处于空白阶段，完全依靠进口；而国际上此类产品的缺口较大，且供货周期较长。高端油管产品长期依赖进口对我国能源战略的安全性造成了一定的威胁。因此，天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）结合三高气田的使用要求，研制出G3耐蚀合金油管特殊螺纹接头TP-G2。这里将介绍开采中最常用规格G3耐蚀合金125钢级Φ88.9 mm×6.45 mm油管TP-G2螺纹的开发应用情况。

1 设计要点

众所周知，符合API标准的油套管连接形式在管柱结构完整性和密封完整性方面都存在一定的问题。目前，国内外已有30多家著名的油套管制造厂开发了200多种享有专利权的特殊螺纹接头，这些产品以其可靠的气密封性能、较高的连接强度、良好的抗螺纹黏结性能受到油田的普遍欢迎。这些接头都能在碳钢材质上应用良好，但普遍不适用于高温、高压、高腐蚀环境下使用的耐蚀合金材质。由于耐蚀合金材质的特殊性，其表面摩擦机理不同于碳钢特殊螺纹产品，应力的集中很容易产生螺纹及密封面的螺纹黏结现象，无法正常使用，并且普通油管特殊螺纹接头的抗过扭、抗压缩、抗弯曲能力普遍较低，不适用于三高井况。

G3耐蚀合金油管特殊螺纹接头TP-G2的设计从以下4个方面展开。

1.1 螺纹齿形的设计

偏梯形螺纹具有很高的连接强度。TP-G2采用了负角度偏梯形螺纹设计，其负角度承载侧的作用是：在拧接后接头受到拉伸载荷、弯曲载荷时，承载侧面上的分力能显著降低内外螺纹端径向分离的趋势，提高接头的连接性能和抗弯曲能力。

与API偏梯形螺纹的内外螺纹等齿高设计不同，TP-G2的内螺纹齿高略高于外螺纹。如果内外螺纹等齿高，由于螺纹脂在接头中堆积，会增加接箍外表面环向张应力，还会使密封面接触压力降低和不稳定；因此，内外螺纹的不等高设计可以消除螺纹脂堆积的不利影响，并且降低螺纹发生黏结的可能性。

TP-G2合理的齿侧间隙设计能保证在不发生螺纹黏结的基础上，提高接头的抗压缩能力。

TP-G2的大角度导入侧设计，便于对扣、引扣，且不易错扣，方便油田现场操作。G3耐蚀合金油管TP-G2特殊螺纹和API偏梯形螺纹齿形比较见表1，TP-G2特殊螺纹的齿型如图1所示。

表1 G3 TP-G2特殊螺纹和API偏梯形螺纹齿形比较

1.2 密封面的设计

特殊螺纹接头通常采用金属-金属密封的形式，其密封机理是：通过尺寸过盈在接触面上产生一定的接触长度和接触压力，管内壁的气体分子无法通过具有接触压力的金属密封面溢出，从而实现气密封。TP-G2的密封采用锥-锥金属密封的形式，由于耐蚀合金材质的特殊性，密封面的锥度和过盈量是关键，合理的密封面锥度和过盈量的配合在保证优异的气密封能力的同时，可确保反复拧接也不发生螺纹黏结。通过大量的实物评价试验和有限元计算，确定了适合G3耐蚀合金材质的特殊螺纹最佳的密封面角度和合理的密封过盈量，保证TP-G2在复合载荷下具有最佳的密封面接触长度和密封面接触压力，从而拥有优异密封能力。

为了保证外螺纹端部密封面的厚度，在外螺纹端还需要进行一定的收口处理，收口量低于3%。在收口后需要进行去应力退火处理。

图1 G3耐蚀合金油管TP-G2特殊螺纹的齿型示意

1.3 扭矩台肩的设计

TP-G2的接箍中部的负角度扭矩台肩作用为：提供准确的拧接定位，防止锥形密封面因过量的拧接产生超过预期的过盈；在拧接图形上产生拧接到位指示，接头按设定的上扣扭矩拧接，外螺纹端鼻端和内螺纹端扭矩台肩对顶，在扭矩-圈数拧接图形上产生扭矩的剧增；负角度的扭矩台肩对密封面有支撑作用，增强密封面气密封能力；合理的扭矩台肩高度受到过扭矩时，能保证结构完整性。

1.4 表面处理工艺

与普通碳钢油管相比，G3耐蚀合金油管冲击韧性好，但导热性差，材料的螺纹黏结敏感性较高；因此，螺纹表面需采用特殊的表面处理工艺以解决螺纹黏结问题，满足油田的反复使用要求。对TP-G2外螺纹端表面采取喷砂处理，并对喷砂的速度、距离以及砂粒大小进行严格把控，以提高螺纹和密封面表面的硬度，对TP-G2内螺纹端采用镀铜处理，控制镀层的厚度。使内外螺纹表面硬度差异增大，降低拧接时两表面之间的摩擦因数，从而提高接头的抗螺纹黏结性能。

2 有限元分析

为了判断分析油管接头在各种工况下的力学特性，对G3耐蚀合金TP-G2油管特殊螺纹进行了有限元分析和设计评估，为后续的试验和安全使用提供科学详细的论据。分析对象：G3合金125钢级Φ88.9 mm×6.45 mm TP-G2接头。

根据套管接头的结构和受力特点，建立轴对称有限元模型，接头的材质视为均匀的各向同性体，并带入G3合金125钢级的应力-应变曲线，网格采用轴对称四边形网格，按照ISO 13679∶2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》CALⅣA系列进行分析，即常温下轴向拉伸、压缩、内压、外压对接头模型进行加载，G3耐蚀合金油管TP-G2特殊螺纹有限元分析的工况载荷见表2和如图2所示，可见，载荷值均位于95%管体VME曲线上。

表2 G3耐蚀合金油管TP-G2特殊螺纹有限元分析的工况载荷

注：①T95表示拉伸至屈服强度的95%，I95V表示内压至屈服强度的95%，C20表示压缩至屈服强度的20%，E100表示外压至屈服强度的100%，CEYP（Capped End Yield Pressure）表示封堵管端屈服压力。

图2 G3耐蚀合金油管TP-G2特殊螺纹有限元分析的工况载荷包络线

TP-G2在上扣后的等效应力云图如图3所示。TP-G2特殊螺纹的等效应力较低，在100 MPa以下；密封部分等效应力略高，但低于接头的屈服强度。

图3 TP-G2在上扣后的等效应力云图

TP-G2在T95 I95V载荷（图2所示3）下的等效应力云图如图4所示。外螺纹端不完整螺纹和内螺纹端接近密封部分的退刀区附近等效应力较高，接近材料的屈服强度。

TP-G2在C60 I95V载荷（图2所示9）下的等效应力云图如图5所示。台肩处及内螺纹的导入侧等效应力水平较高，说明螺纹齿侧间隙的设计合理，在接头受到轴向压缩时，螺纹的导入侧起到了分担压缩载荷的作用。

图4 TP-G2在T95 I95V载荷下的等效应力云图

图5 TP-G2在C60 I95V载荷下的等效应力云图

TP-G2在C30 E100载荷（图2所示12）下的等效应力云图如图6所示。由于压缩载荷比较小，此时的压缩载荷基本由外螺纹端台肩和密封面承担。由于外压载荷的作用，内螺纹端仅在端部的等效应力较高，其余位置应力分布比较均匀。

图6 TP-G2在C30 E100载荷下的等效应力云图

TP-G2在T67 E100载荷（图2所示15）下的等效应力云图如图7所示。等效应力较高的位置是外螺纹密封面处和外螺纹的不完整螺纹处。

图7 TP-G2在T67 E100载荷下的等效应力云图

常用密封面的密封指数评估特殊螺纹接头的密封性能［12-14］。密封指数S计算公式为：

式中 σ——密封面接触压力，MPa；

L——密封面接触长度，mm；

F——密封面法向压力，MPa；

r——节点半径，mm；

l——网格长度，mm。

由公式（1）可知，该密封指数与密封面接触压力和接触长度有关。通常认为，当密封指数高于2.0时，接头具有比较可靠的密封能力。TP-G2在各个载荷下的密封指数如图8所示。在TP-G2受到内压载荷下，当轴向载荷由拉伸逐步转化为压缩，密封指数逐步增加；在TP-G2受到外压载荷，当轴向载荷由压缩逐步转化为拉伸，密封指数逐步降低。密封指数的最小值为T67 E100载荷时，高于2.0，可见TP-G2具有较高的密封可靠性。

图8 TP-G2在各个载荷下的密封指数

3 全尺寸实物试验

全尺寸实物性能试验是检验特殊螺纹接头设计开发的重要环节。G3耐蚀合金油管特殊螺纹接头TP-G2在第三方评价实验室，按照ISO 13679∶2002标准CALⅡ进行全尺寸实物试验，试样共4个，都需要进行上卸扣试验、B系试验、C系试验。试验规格为125钢级Φ88.90 mm×6.45 mm G3耐蚀合金TP-G2特殊螺纹油管。首先进行上卸扣试验，按照ISO 13679∶2002标准进行10次上扣9次卸扣后，再进行后续评价试验。

3.1 CALⅡB系试验

在试验前，先采用陶瓷加热带加热试样接头，烘干温度≥180℃，烘干时间≥12 h。试验加载的载荷值位于材料实际屈服强度的95%VME包络线上。试验温度为室温，泄漏检测装置使用气泡瓶检漏系统，用应变法测量弯曲度，狗腿度为0.656°/m（20°/30.48 m）。ISO 13679∶2002标准CALⅡ B系试验加载点数据见表3。试验顺利通过，未发生泄漏。

表3 ISO 13679∶2002标准CALⅡB系试验加载点数据

3.2 CAL II C系试验

ISO 13679∶2002标准CALⅡ C系试验加载点数据见表4。C系试验是接头的拉伸、内压、热循环试验，在试验过程中，内压加压介质为干燥氮气，泄漏检测装置为气泡瓶检漏系统。采用陶瓷片加热接箍和附近管体，温度检测由热电偶完成，在常温和高温下分别有5个内压-拉伸循环。试验顺利通过，未发生泄漏。

3.3 极限载荷试验

极限加载试验是为了验证接头的结构和密封的极限性能。极限载荷试验对验证接头超过VME包络线后的性能指标非常重要。4个试样的极限载荷加载路径及失效载荷如图9所示。极限载荷试验结果表明，试样的抗内压强度、接头连接性能均超过该钢级/规格油管使用性能保证值的要求。复合载荷下的极限强度，如拉伸下的抗内压强度、高内压下的抗拉强度、内压下的抗压缩强度等，均超过按实际屈服强度计算的承载包络线。

表4 ISO 13679∶2002标准CALⅡC系试验加载点数据

图9 4个试样的极限载荷加载路径及失效载荷

4 应用情况

2011年 4月，Φ88.9 mm×6.45 mm和 Φ88.9 mm×9.52 mm两个规格TP-G2特殊螺纹G3耐蚀合金油管首次在某油田区块下井使用。下井深度为6 961 m，H2S分压 5.0 MPa，CO2分压 10.0 MPa，单质硫3 g/L，pH值3，井底温度160℃，井口压力65 MPa，服役至今未出现任何问题。

5 结 语

TP-G2是天津钢管针对高温、高压、高腐蚀井况开发的一种适用于耐蚀合金材质的特殊螺纹接头，采用合理的齿形设计、密封设计、台肩设计及独特的表面处理技术，具有良好的抗螺纹黏结性能和密封性、较大的抗弯曲能力及较高的抗压缩能力。通过有限元分析和实物评价试验一致证明了TP-G2接头的使用可靠性。截至目前，耐蚀合金油管特殊螺纹TP-G2在国内陆地和海上油田的三高气田广泛应用，可满足国内油田对三高井勘探开发的需求，得到了用户的广泛认可。