非API套管接頭主密封結構氣密性能試驗分析

許志倩，閆相禎，楊秀娟，殷曉康，王明達

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院山東青島 266580;2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島 266580)

0 引言

隨著天然氣勘探開發(fā)的不斷深入和井下工作環(huán)境的復雜多變，具有較高氣密性的非API套管接頭在氣井開采中的應用日益廣泛。對于API標準接頭密封性能評定，ISO 10400:2007《石油管特性公式和計算公報》［1］中將螺紋接觸面壓力作為密封性能評價指標，并給出接頭泄漏抗力計算公式。盡管該方法已為工程應用作出很多貢獻，但隨著帶有專門密封結構的特殊螺紋油套管接頭出現(xiàn)和井下工況載荷條件的日益復雜，其適用性和準確性嚴重滯后于工程應用［2－3］。目前，國內外針對密封性能的研究手段主要基于密封面接觸壓力數(shù)值模擬的間接分析［4－9］。王建東等［10］采用有限元分析方法得到特殊螺紋接頭不同密封結構型式對應的密封能力隨載荷變化規(guī)律;高連新等［11］利用有限元技術和全尺寸試驗相結合的方法，提出金屬/金屬密封結構型式的選擇與過盈量確定是特殊螺紋油套管接頭密封設計的關鍵。

上述研究表明:密封面接觸方式、接觸面積、表面粗糙度和表面處理技術對密封效果影響顯著。依據(jù)現(xiàn)有評估方法，僅從宏觀角度無法揭示上述因素與密封性能之間的定量關系。文中利用氣密性試驗結合彈塑性力學理論，研究非API套管接頭主密封形成條件及其影響因素。試驗所得結果可以作為非API套管接頭主密封結構設計的參考依據(jù)。

1 非API套管接頭密封面接觸壓力計算

1.1 主密封結構

非API套管接頭的主密封結構由金屬對金屬的徑向過盈配合實現(xiàn)。密封配合面具有較高預緊接觸壓力，使兩粗糙接觸面間的波峰、波谷相互穿插、嵌合，微間隙逐漸減小直至配合面吻合，泄漏阻力隨之增大，氣體泄漏量驟減至某一規(guī)定值后不再發(fā)生明顯改變，即宣布套管接頭進入穩(wěn)定密封狀態(tài)。圖1示出錐面/錐面套管密封結構。

圖1 錐面/錐面套管密封結構示意

圖1(a)示出的錐面對錐面主密封結構最為常見，圖1(b)示出了非API套管接頭密封結構的主要工藝參數(shù)。套管內徑和接箍外徑可由API規(guī)范查得。錐角由各個制造商決定，其中密封接觸面的直徑和長度是計算接觸壓力密封的重點。

1.2 預緊壓力計算

特殊螺紋接頭套管主密封面的預緊壓力是由接箍密封處內徑和套管密封處外徑的徑向過盈產(chǎn)生。依據(jù)彈塑性力學中組合厚壁筒理論［12］，由過盈產(chǎn)生的接觸面壓力計算式為:

式中 pc——過盈產(chǎn)生的密封預緊壓力，MPa

δ——主密封面配合過盈量，mm

E——材料彈性模量，MPa

D——主密封面處直徑，mm

Di——套管內徑，mm

W——接箍外徑，mm

由式(1)可以看出，接觸面壓力與密封面過盈量成正比關系。當接箍外徑和套管內徑為定值時，由于套管接頭主密封面存在錐度，使得接觸面直徑隨密封面接觸長度發(fā)生變化，從而引起接觸面預緊壓力隨之改變。

選用錐面對錐面密封結構的特殊螺紋套管接頭，套管外徑7 in.，壁厚9.19 mm，接頭主密封面處過盈量0.3 mm，錐度1∶10，接觸面長度15 mm，相應的接箍外徑7.65 in.(194.31 mm)。按照式(1)計算不同套管內徑下的密封接觸面預緊壓力，計算結果如圖2所示。

圖2 不同套管內徑下的密封面預緊壓力隨接觸面直徑變化趨勢

可以看出，密封接觸面預緊壓力隨密封接觸面直徑增加(即在密封面接觸長度范圍內)呈類拋物線變化;接觸面預緊壓力最大值位置(即密封接觸面直徑值)隨套管壁厚增加而降低。

1.3 密封面總接觸壓力計算

除了密封接觸面徑向過盈產(chǎn)生的預緊壓力外，管內氣體作用在套管接頭內部，同樣會增加密封接觸面壓力。依據(jù)文獻［1］可知，由管內氣壓產(chǎn)生的接觸面壓力計算公式為:

式中 Δpc——套管內氣體產(chǎn)生的密封面接觸壓力，MPa

pi——套管內氣體壓力，MPa

設井內氣體壓力為50 MPa，套管參數(shù)同前，則由內壓產(chǎn)生的主密封面接觸壓力如圖3所示。可以看出，由管內氣體壓力引起的密封面接觸壓力隨接觸面直徑增加(即在密封面接觸長度范圍內)而減小;套管壁厚越小、相同接觸面直徑處的接觸面壓力越大。

圖3 不同套管內徑下的內壓引起的密封面接觸壓力隨接觸面直徑變化趨勢

由此可知，非API套管接頭密封面總接觸壓力為 pc+Δpc。

ISO 10400:2007中規(guī)定套管接頭的密封準則為:套管內氣體壓力(pi)＜密封面總接觸壓力(pc+Δpc)。

2 非API套管接頭主密封結構氣密性試驗

2.1 試件

針對非API套管接頭主密封結構，設計可用于氣密性測試的試驗試件，如圖4所示。接箍和套管內外徑、主密封面錐度、倒角等加工參數(shù)，參照7 in.特殊螺紋套管接頭設計尺寸。接觸面預緊壓力通過密封面過盈量進行控制。

圖4 試件結構示意

2.2 氣密性試驗裝置

利用圖5所示試驗裝置對套管接頭密封試件進行氣體泄漏檢測。該檢測系統(tǒng)主要由密封試件、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和泄漏率檢測系統(tǒng)組成。測量試件密封端安裝撓性護罩用于收集泄漏氣體。撓性護罩與試件間用兩道密封膠和軟管夾進行密封和固定。所有測試參數(shù)均需通過高精度傳感器進行測量，如測試介質壓力和泄漏氣體壓力等。泄漏率測量范圍為 10－6～10－3Pa·m3/s，最小泄漏率 10－6Pa·m3/s。

圖5 氣密性試驗測試系統(tǒng)示意

2.3 試驗步驟

(1)根據(jù)試驗要求提供的接觸面預緊壓力，通過式(1)計算出所需密封面過盈量δ;

(2)如圖4所示，當界面A被推送至B位置時，已知密封面錐角α和過盈量δ，由幾何關系可推出套管嵌入接箍水平深度h(h=δ/sinα);

(3)由式(1)，(2)計算結果可知，本試驗提供的氣體壓力所產(chǎn)生的密封面接觸壓力與過盈量產(chǎn)生的密封接觸預緊壓力相比過小可忽略，故此次試驗中所涉及到的“接觸面壓力”均以步驟(1)，(2)獲得接觸面預緊壓力為準;

(4)依據(jù)試驗要求接觸面壓力值，通過步驟(1)，(2)計算得到套管嵌入接箍水平深度h，在壓力試驗機上通過控制套管壓入接箍深度完成接觸面預緊壓力施加;

(5)將按照要求在壓力試驗機上完成過盈配合的試件，依據(jù)圖5中所示試驗裝置進行氣密性測試，通過壓力表記錄測試介質壓力和泄漏氣體壓力。

3 氣密性試驗測試結果分析

3.1 密封形成條件測試

試件材料選用H40(套管鋼級)的屈服強度為320 MPa，表1列出彈性變形范圍內的試驗參數(shù)。每一個試件進行5個接觸壓力值測試，每個壓力水平施加3個氣體內壓。當泄漏率顯示穩(wěn)定后記錄測試值。

表1 密封形成條件試驗測試參數(shù)

圖6示出密封接觸面壓力處于彈性范圍內時，不同內壓下的氣體泄漏率隨接觸面壓力的變化關系。

可以看出，當內部氣體壓力為1.0 MPa時，試件最小泄漏率約為0.074 Pa·m3/s;氣體壓力降到0.5 MPa時，最小泄漏率約為0.019 Pa·m3/s;氣體壓力僅為0.2 MPa時，最小泄漏率約為0.005 Pa·m3/s，該值未能達到氣密封“零泄漏率”(≤10－4Pa·m3/s)標準，視為泄漏。

圖6 不同氣體壓力下泄漏率與接觸面壓力關系

在金屬塑性變形范圍內，圖7示出的氣體泄漏率隨接觸壓力變化關系與彈性范圍內趨勢相似:泄漏率隨接觸壓力增加而減少。當接觸壓力大于500 MPa時，氣體泄漏率已接近零泄漏率標準(≤10－4Pa·m3/s)。由此可知，當密封接觸面壓力達到金屬塑性屈服值時，可以為氣體泄漏提供一個有效阻礙屏障，從而提高氣體密封性。此外，從圖7中還可以看出，當接觸壓力大于屈服強度值2倍(690 MPa)后，氣體泄漏率受接觸壓力的影響不再顯著。

圖7 接觸面發(fā)生塑性變形時泄漏率與接觸面壓力關系

3.2 密封面粗糙度影響

分別采用車削、磨削和研磨工藝加工接觸面，對比分析不同表面粗糙度對氣密性能的影響程度，具體測試參數(shù)如表2所示。車削加工表面粗糙度為25 μin.(0.635 μm，相當于▽8)，另一試件拋光，表面粗糙度為 12 μin.(0.305 μm，相當于▽9)，第三個試件表面研磨，粗糙度高于1 μin.(0.0254 μm，相當于▽12)。

表2 密封面粗糙度影響試驗測試參數(shù)

圖8示出不同密封面加工方式下泄漏率與接觸面壓力關系?？梢钥闯?，在低接觸壓力下，通過研磨接觸面的氣體泄漏率明顯低于車削和磨削接觸面。在接觸壓力較低時，氣體泄漏率受過盈配合金屬表面粗糙度影響程度很大，主要由于在低接觸壓力下，表面越光滑越容易貼合，從而有效降低氣體泄漏路徑，減少總氣體泄漏率。

圖8 不同密封面加工方式下泄漏率與接觸面壓力關系

3.3 密封面接觸寬度影響

取徑向密封接觸寬度范圍2.5～25 mm，測試相同密封預緊壓力和氣體壓力下，不同接觸寬度對應的氣體泄漏率，測試參數(shù)見表3。

圖9示出不同接觸面壓力下泄漏率與接觸面寬度關系，可以看出，氣體泄漏率隨接觸寬度增加而降低。這種影響在接觸寬度小于10 mm時較為明顯;當接觸寬度大于10 mm后效果不再顯著。顯然，增加接觸寬度可以提高非API套管接頭的氣密性。這一試驗結果可以應用于套管接頭的設計。

表3 測試參數(shù)

圖9 不同接觸面壓力下泄漏率與接觸面寬度關系

4 結論

(1)密封接觸壓力產(chǎn)生彈性變形不足以形成耐高壓的氣密性。金屬對金屬密封只有在接觸面產(chǎn)生塑性永久變形時才能形成可靠的密封，要求接觸面預緊壓力至少為2倍的金屬屈服強度。

(2)經(jīng)過車削、磨削和研磨工藝加工的接觸面，對氣密性能影響程度不同。表面粗糙度數(shù)值越小的密封面進入穩(wěn)定密封狀態(tài)的速度越快，表面光潔度越高氣密性能越好。

(3)徑向接觸寬度在2.5～10 mm范圍內，氣體泄漏率隨接觸寬度增加而顯著降低，10 mm以后接觸寬度對氣密性能影響不大。

［1］ ISO 10400:2007，Petroleum and Natural Gas Industries－ formula and Calculation for Casing，Tubing，Drill Pipe and Line Pipe Properties［S］.

［2］ 李瑞濤，楊美金，王耀鋒，等.特殊螺紋接頭的研究現(xiàn)狀分析［J］.焊管，2009，32(1):11 －14.

［3］ 王新虎，申照熙，王建東，等.特殊螺紋油管與套管的上扣扭矩構成與密封性能研究［J］.石油礦場機械，2010，39(12):45 －50.

［4］ 許志倩，閆相禎，楊秀娟.非API標準Big Omega特殊螺紋接頭連接性能數(shù)值分析［J］.石油礦場機械，2009，38(6):34 －39.

［5］ 黃翠英，張宏，段慶全.地下儲氣庫特殊螺紋套管接頭密封性分析［J］.石油機械，2010，38(5):49 －51.

［6］ DVORKIN E N，TOSCANO R G.Finite Element Models in the Steel Industry，Part II:Analyses of Tubular Products Performance［J］.Computers ＆ Structures，2003，81(8－11):575－594.

［7］ WITTENBERGHE J V，BAETS P D，WAELE W D，et al.Numerical and Experimental Study of the Fatigue of Threaded Pipe Couplings［C］//BREBBIA C A.Surface Effects and Contact Mechanics IX:Computational Methods and Experiments.Southampton，UK:WIT Press，2009:125 －129.

［8］ 王和慧，盧均臣，關凱書，等.帶接管組合法蘭的強度和密封有限元分析［J］.壓力容器，2012，29(2):22－29.

［9］ 喻健良，張忠華，閆興清，等.高溫下螺栓－法蘭－墊片系統(tǒng)密封性能研究［J］.壓力容器，2012，29(5):5－9.

［10］ 王建東，馮耀，林凱，等.特殊螺紋接頭密封結構比對分析［J］.中國石油大學學報(自然科學版)，2010，34(5):126 －130.

［11］ 高連新，金燁，張居勤.石油套管特殊螺紋接頭的密封設計［J］.機械工程學報，2005，41(3):216－219.

［12］ 徐秉業(yè)，劉信聲.應用彈塑性力學［M］.北京:清華大學出版社，1995:56.