?88.90 mm×6.45 mm特殊螺紋接頭接箍變形分析

呂慶鋼

（中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心，新疆輪臺(tái)841600）①

?88.90 mm×6.45 mm特殊螺紋接頭接箍變形分析

呂慶鋼

（中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心，新疆輪臺(tái)841600）①

對(duì)某井?88.90 mm×6.45 mm特殊螺紋接頭接箍變形原因進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查和失效分析。通過(guò)尺寸測(cè)量、力學(xué)性能試驗(yàn)和全尺寸實(shí)物試驗(yàn)，認(rèn)為吊卡磨損引起接箍端面偏斜承載是導(dǎo)致事故的主要原因。該油管產(chǎn)品屬于特殊產(chǎn)品，雖然也屬于常用品種，但由于采用非API標(biāo)準(zhǔn)較小接箍設(shè)計(jì)，減小了接箍端面與吊卡的接觸面積，不利于現(xiàn)場(chǎng)操作，是此次事故的次要原因。

油管；接箍；變形；吊卡

1 事故經(jīng)過(guò)

2013-09-19，某井在下油管時(shí)出現(xiàn)異常情況，2013-09-18T 12：45下測(cè)試管柱至井深5 149.34 m（場(chǎng)地編號(hào)144#），管柱懸重770 k N（大鉤自重150 k N）；在鉆臺(tái)面對(duì)144#油管做氣密檢測(cè)，氦氣泄漏量2.3×10－7Pa·m3／s，氣密檢測(cè)不合格，重新卸壓、卸扣、上扣。2013-09-19T 12：55重新進(jìn)行氣密檢測(cè)，氦氣泄漏量6.6×10－8Pa·m3／s，氣密檢測(cè)仍不合格。卸壓、卸扣后對(duì)144#油管接箍進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)接箍下端發(fā)生嚴(yán)重變形并且出現(xiàn)脹扣（接箍端面張開(kāi)，長(zhǎng)度60 mm，寬度4 mm），接箍最大變形外徑101 mm（接箍名義外徑為98.5 mm）（如圖1），接箍中上端外徑正常，另外發(fā)現(xiàn)吊卡邊緣磨損嚴(yán)重，最大外徑98 mm；后起出2根油管測(cè)量接箍下端外徑均發(fā)現(xiàn)不同程度的變形，約99～100 mm。

鑒于接箍發(fā)生嚴(yán)重變形，可能會(huì)影響其抗拉強(qiáng)度及氣密性，繼續(xù)下入可能存在管柱落井的風(fēng)險(xiǎn)。為確保油管柱下井安全，進(jìn)行起油管作業(yè)。為快速、安全地起出油管，現(xiàn)場(chǎng)決定采用起立柱（3根1柱）的方式操作，在起出幾柱后，發(fā)現(xiàn)油管接箍是1根嚴(yán)重變形（端面呈臺(tái)階狀變形，如圖1），1根輕微變形，呈規(guī)律性交替出現(xiàn)。為確保安全地起出油管，決定以2根為1組起出油管，將輕微變形的接箍坐在吊卡上進(jìn)行卸扣，隨著懸重減少，接箍變形狀況逐步減輕，懸重在550 k N左右時(shí)，目測(cè)變形現(xiàn)象消失，接箍外徑在99 mm以?xún)?nèi)，在接箍外徑允許公差范圍內(nèi)。

圖1 接箍變形及脹扣形貌

2 接箍外徑尺寸測(cè)量

失效樣品形貌如圖2～3，失效樣品接箍外徑測(cè)量結(jié)果如表1～2。

圖2 1#失效樣品形貌

圖3 2#失效樣品形貌

表1 1#樣品接箍外徑測(cè)量結(jié)果mm

表2 2#樣品接箍外徑測(cè)量結(jié)果mm

3 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)［1］，在管體上取樣做拉伸、沖擊和硬度試驗(yàn)。管體試樣拉伸試樣為縱向，標(biāo)距內(nèi)寬度為19 mm，標(biāo)距內(nèi)長(zhǎng)度為50.8 mm。夏比V形缺口沖擊試樣為縱向，尺寸為10 mm× 5 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為0℃。在樣品上切取硬度環(huán)，拉伸和硬度試驗(yàn)溫度為室溫。由于接箍拉伸和沖擊試驗(yàn)無(wú)法取樣，僅做硬度試驗(yàn)，拉伸結(jié)果參照質(zhì)量證書(shū)結(jié)果。結(jié)果表明：油管的力學(xué)性能符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求及用戶(hù)要求，如表3～5。

表3 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表5 硬度試驗(yàn)結(jié)果

4 模擬工況全尺寸評(píng)價(jià)實(shí)物試驗(yàn)

模擬吊卡支撐接箍端面條件下拉伸試驗(yàn)，在對(duì)中（如圖4）、偏心（如圖5）和接箍端面與吊卡承載面偏斜0.9°條件下，拉伸載荷為608 k N時(shí)，接箍外徑未發(fā)現(xiàn)明顯的變化；模擬接箍端面與吊卡承載面偏斜2.3°條件下，拉伸載荷為558 k N時(shí)，接箍端面開(kāi)始發(fā)生變形，最大接箍外徑為99.52 mm，當(dāng)拉伸載荷為608 k N時(shí)，最大接箍外徑為104.00 mm。

圖4 接箍（外徑?98.5mm）拉伸試驗(yàn)（對(duì)中）安裝示意

圖5 接箍（外徑?98.5mm）拉伸至失效試驗(yàn)（偏心）安裝示意

5 綜合原因分析

5.1 吊卡磨損引起接箍端面偏斜承載

5.1.1 模擬工況評(píng)價(jià)試驗(yàn)分析

模擬吊卡支撐接箍端面條件下拉伸試驗(yàn)，在對(duì)中、偏心和接箍端面與吊卡承載面偏斜0.9°條件下，拉伸載荷為608 k N時(shí)，接箍外徑未發(fā)現(xiàn)明顯的變化；模擬接箍端面與吊卡承載面偏斜2.3°條件下，拉伸載荷為558 k N時(shí)，接箍端面開(kāi)始發(fā)生變形，最大接箍外徑為99.52 mm，當(dāng)拉伸載荷為608 k N時(shí)，最大接箍外徑為104.00 mm。試驗(yàn)表明：在吊卡支撐接箍端面正常條件下，拉伸載荷為608 k N時(shí)，接箍未發(fā)生明顯變形；如果存在接箍端面與吊卡承載面偏斜時(shí)，拉伸載荷為608 k N時(shí)，接箍端面出現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)相似的變形情況，如圖6。模擬工況評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明接箍端面與吊卡偏斜承載是導(dǎo)致接箍變形的原因。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)接箍脹大與試驗(yàn)接箍脹大形貌

5.1.2 現(xiàn)場(chǎng)變形接箍和吊卡形貌分析

從接箍端面形貌上看，接箍端面分為4部分，包括無(wú)壓痕區(qū)1、嚴(yán)重變形區(qū)2、無(wú)壓痕區(qū)3和輕微壓痕區(qū)4，如圖7～8所示。嚴(yán)重變形區(qū)4和輕微壓痕區(qū)3為吊卡和接箍端面接觸區(qū)；無(wú)壓痕區(qū)1和無(wú)壓痕區(qū)3為吊卡和接箍端面未接觸區(qū)；嚴(yán)重變形區(qū)2消失處呈尖角，與吊卡本體間隙處形狀對(duì)應(yīng)；輕微壓痕區(qū)4消失處呈平角，與吊卡活門(mén)間隙處對(duì)應(yīng)，無(wú)壓痕區(qū)3恰好位于活門(mén)間隙處。

經(jīng)測(cè)量，無(wú)壓痕區(qū)1弧長(zhǎng)為115 mm，嚴(yán)重變形區(qū)2弧長(zhǎng)約65 mm，無(wú)壓痕區(qū)3弧長(zhǎng)為40 mm，輕微壓痕區(qū)4弧長(zhǎng)約90 mm。當(dāng)油管柱坐放時(shí)，僅有嚴(yán)重變形區(qū)2和輕微壓痕區(qū)4與吊卡接觸，而無(wú)壓痕區(qū)1與吊卡未接觸。因此，接箍端面與吊卡之間存在偏斜承載，此時(shí)接觸區(qū)弧長(zhǎng)僅占接箍端面圓周弧長(zhǎng)的50%左右，接觸區(qū)弧長(zhǎng)和接觸面積較小，在一定拉伸載荷下，導(dǎo)致嚴(yán)重變形區(qū)2和輕微壓痕區(qū)4出現(xiàn)，嚴(yán)重變形區(qū)2部分端面承載引起剪切發(fā)生，輕微壓痕區(qū)4全部端面承載引起壓痕發(fā)生。

從吊卡形貌上看，吊卡內(nèi)邊緣磨損嚴(yán)重（如圖9），經(jīng)測(cè)量，吊卡最大磨損量為1.23 mm。吊卡磨損引起接箍端面與吊卡偏斜接觸，進(jìn)而引起接箍嚴(yán)重變形?？梢钥闯?，吊卡存在磨損是導(dǎo)致接箍偏斜承載的直接原因。

圖7 接箍端面損傷形貌位置分布

圖8 接箍端面與吊卡承載面配合位置

圖9 吊卡形貌

5.1.3 現(xiàn)場(chǎng)接箍變形規(guī)律分析

現(xiàn)場(chǎng)起出油管前28根接箍均出現(xiàn)不同程度的變形，嚴(yán)重變形和一般變形交替出現(xiàn)（如表6），外徑為98.5～101.0 mm?，F(xiàn)場(chǎng)配備2個(gè)吊卡（1#吊卡和2#吊卡），二者交替使用。由以上分析可知：接箍端面與吊卡之間偏斜接觸引起接箍端面變形；輕微磨損吊卡引起較小的偏斜，對(duì)接箍變形影響??；嚴(yán)重磨損吊卡引起較大的偏斜，對(duì)接箍變形影響大?，F(xiàn)場(chǎng)接箍嚴(yán)重變形和一般變形交替出現(xiàn)，證明現(xiàn)場(chǎng)存在1個(gè)嚴(yán)重磨損吊卡，采用該吊卡是導(dǎo)致接箍嚴(yán)重變形的主要原因。

表6 接箍檢查情況

5.2 油管與吊卡不匹配

現(xiàn)場(chǎng)資料顯示，1#吊卡的通徑為92 mm，2#吊卡的通徑為92.5 mm。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T5035—2004《吊環(huán)、吊卡、吊鉗》中5.3.3條款規(guī)定［2］，?88.9 mm不加厚油管吊卡上下孔徑為91 mm。油管采用該型號(hào)吊卡，接箍端面在極端情況下局部可能發(fā)生屈服情況。

油管與吊卡配合有對(duì)中和對(duì)偏2種情況，如圖10所示。

圖10 油管和吊卡配合情況

1） 對(duì)中情況。

接箍端面橫截面積為

式中：A為接箍外徑，接箍端面橫截面積，mm2；Dw為接箍外徑，98.5 mm；Dt為鏜孔直徑，92.58 mm。

計(jì)算得A＝888 mm2。

接箍端面應(yīng)力為

式中：σ為應(yīng)力，MPa；F為載荷，N；A為接觸面積，mm2。

接箍的鏜孔直徑大于吊卡的通徑，因此在對(duì)中情況下，接箍端面橫截面積等于接箍和吊卡的接觸面積。同時(shí)由于吊卡活門(mén)處存在縫隙如圖11，接箍端面不可能與吊卡完全接觸，吊卡活門(mén)間隙處不接觸角度約75°，不接觸面積約占20%，實(shí)際接觸面積約為710 mm2，經(jīng)計(jì)算，在懸重為608 k N時(shí)，接箍端面應(yīng)力為855 MPa，超過(guò)了材質(zhì)書(shū)上接箍材料屈服強(qiáng)度790 MPa。

2） 對(duì)偏情況。

經(jīng)計(jì)算，對(duì)偏時(shí)接箍接觸面積為A＝727 mm2，如果考慮活門(mén)處存在的間隙，吊卡接觸面積可能會(huì)小于700 mm2，接箍端面應(yīng)力為σ＝868 MPa，高于接箍材料屈服強(qiáng)度。

計(jì)算結(jié)果表明：該規(guī)格油管采用該型號(hào)吊卡下井，在極端情況下，接箍端面應(yīng)力高于接箍材料屈服強(qiáng)度，局部可能發(fā)生屈服情況，進(jìn)而造成接箍變形事故?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接觸區(qū)弧長(zhǎng)僅占接箍端面圓周弧長(zhǎng)的50%左右，接觸區(qū)面積僅為444 mm2，經(jīng)計(jì)算拉伸載荷小于404 k N時(shí)，接箍端面才不會(huì)發(fā)生變形。

圖11 吊卡形貌

API油管接箍外徑采用?107.95 mm，特殊螺紋接頭油管接箍外徑采用?98.50～?108.00 mm，現(xiàn)場(chǎng)使用油管接箍外徑也是一種常用的接箍外徑。

如果油管接箍外徑為107.95 mm，除去吊卡活門(mén)間隙和對(duì)偏減少的面積，接觸面積至少仍有1 775 mm2，接箍端面應(yīng)力水平為342 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度。即使存在現(xiàn)場(chǎng)提放管柱偏斜、吊卡磨損和吊卡放置不平等因素，接箍和吊卡接觸面積仍能保持較大的接觸面積，不會(huì)導(dǎo)致接箍變形。

6 結(jié)論

1） 吊卡磨損引起接箍端面偏斜承載是導(dǎo)致事故的主要原因。

2） 該油管產(chǎn)品屬于特殊產(chǎn)品，雖然也屬于常用品種，但由于采用非API標(biāo)準(zhǔn)較小接箍設(shè)計(jì)，減小了接箍端面與吊卡的接觸面積，不利于現(xiàn)場(chǎng)的操作，是此次事故的次要原因。

3） 超深井采用該類(lèi)型油管進(jìn)行下井作業(yè)時(shí)，建議改用氣動(dòng)卡盤(pán)，如果仍需采用吊卡進(jìn)行下井作業(yè)時(shí)，需及時(shí)維護(hù)或淘汰磨損嚴(yán)重的吊卡，起吊作業(yè)需嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行。

4） 工程上如果仍需使用特殊規(guī)格產(chǎn)品（例如接箍外徑較小規(guī)格產(chǎn)品），廠家需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行必要的培訓(xùn)。

5） 對(duì)于井口試壓及壓力選擇，應(yīng)科學(xué)合理，根據(jù)拉伸載荷大小適當(dāng)降低試壓壓力，避免試壓對(duì)接頭造成損壞。

［1］ API Spec 5CT，Spe ification for casing and tubing［S］.2011.

［2］ SY／T5035—2004，吊環(huán)、吊卡、吊鉗［S］.

Cause Analysis on Coupling Deformation of?88.90 mm×6.45 mm Premium Connection

An investigation and failure analysis on coupling deformation of?88.90 mm×6.45 mm tubing are given.The failure analysis contents include dimension measure，mechanical property test，and full-scale test.It is considered that the main cause for coupling deformation of?88.90 mm×6.45 mm tubing is the coupling end deflection caused by elevator wear.The tubing product belongs to special product and also belongs to common varieties.The tubing coupling is designed with non API standard coupling outer diameter which reduces the contact area of the coupling end and the elevator.The tubing product is not convenient to operate.That is the secondary cause of the accident.

casing；coupling；deformation；elevator

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.020

1001-3482（2014）11-0078-05

2014-05-21

呂慶鋼（1973-），男，吉林九臺(tái)人，工程師，主要從事油田物資質(zhì)量管理和石油專(zhuān)用管質(zhì)量檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)、質(zhì)量事故調(diào)查分析等工作，E-mail：jibingyin2005＠126.com。