螺紋公差帶對(duì)偏梯形螺紋密封性的影響分析

彭泉霖，何世明，郭元恒，段 玲

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都 610500；2.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100101；3.西南油氣田分公司低效油氣開(kāi)發(fā)事業(yè)部，成都 610017）①

螺紋公差帶對(duì)偏梯形螺紋密封性的影響分析

彭泉霖1，何世明1，郭元恒2，段 玲3

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都 610500；2.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100101；3.西南油氣田分公司低效油氣開(kāi)發(fā)事業(yè)部，成都 610017）①

API套管偏梯形螺紋由于公差帶的影響，使螺紋牙之間存在間隙，形成螺旋狀的空間間隙帶，并受到螺紋牙高公差帶、牙型角公差帶、錐度公差帶和牙頂、牙底弧半徑公差帶的影響。依據(jù)公差帶產(chǎn)生的最大間隙，分析了4個(gè)公差帶對(duì)螺紋密封性的影響大小。計(jì)算結(jié)果表明：牙高公差帶影響最大，牙頂、牙底弧半徑公差帶影響次之，牙型角公差帶影響最小，錐度公差帶的影響受現(xiàn)場(chǎng)上扣情況的控制。提出了合理地改善密封性的措施，有助于優(yōu)化偏梯形螺紋設(shè)計(jì)和加工控制，為現(xiàn)場(chǎng)檢查判斷偏梯形螺紋的適用性提供了依據(jù)。

偏梯形螺紋套管；密封性能；螺紋連接

石油套管作為油氣運(yùn)移的通道，為了保證安全順利地生產(chǎn)作業(yè)，首先要確保其螺紋連接的密封性。特別是高、中壓天然氣井，對(duì)套管螺紋的密封性能要求更加嚴(yán)格，對(duì)要進(jìn)行高壓壓裂和老井側(cè)鉆的井也同樣需要保證套管螺紋的密封性能［1］。

由于API偏梯形螺紋其公差帶的影響，使得內(nèi)、外螺紋之間存在1條螺旋狀空間的間隙帶，使套管內(nèi)外空間連通從而發(fā)生泄漏，其間隙大小受螺紋公差帶的控制。除了內(nèi)外螺紋牙頂、牙底的間隙外，其密封性能還受到內(nèi)外螺紋牙型角、錐度和螺紋牙頂、牙底弧半徑公差帶的影響。

本文詳細(xì)討論了API偏梯形螺紋套管4個(gè)公差帶對(duì)密封性的影響及防止泄漏的措施。

1 偏梯形螺紋公差帶引起的間隙

1.1 牙高公差帶引起的間隙

API Spec 5B—2008［2］規(guī)定的套管偏梯形螺紋牙型和尺寸如圖1所示。

圖1 偏梯形螺紋牙型和尺寸

根據(jù)API Spec 5B—2008規(guī)定，套管偏梯形螺紋牙高的公差帶為1.5748×10-3m±2.54×10-5m，因?yàn)槠菪温菁y牙頂和牙底都平行于螺紋軸線，所以可求得牙頂與牙底之間的間隙高度可達(dá)到的最大值Δ犺＝5.08×10-5m。因此，在1個(gè)螺距范圍內(nèi)，由牙高的公差帶引起的最大泄流面積為

1.2 牙型角公差帶引起的間隙

根據(jù)API Spec 5B—2008規(guī)定，偏梯形螺紋內(nèi)、外牙型角的公差帶為±1°。偏梯形螺紋導(dǎo)向面和承載面牙型角都取最大偏差時(shí)，導(dǎo)向面和承載面牙型角公差帶引起的間隙如圖2所示。H1、H2分別為螺紋導(dǎo)向面和承載面處螺紋牙牙高。

由圖2可以計(jì)算出，偏梯形螺紋導(dǎo)向面和承載面因內(nèi)、外牙型角極限偏差所引起的牙側(cè)最大間隙分別為

因此在1個(gè)螺距范圍內(nèi)，由牙型角公差帶引起的最大泄流面積為

該間隙面積要小于牙高公差帶引起的間隙面積，后者約為前者的3.15倍。

圖2 導(dǎo)向面和承載面牙型角公差帶引起的間隙

1.3 錐度公差帶引起的間隙

根據(jù)API Spec 5B—2008規(guī)定，偏梯形螺紋套管極限偏差按在高為12單位長(zhǎng)度、底面直徑0.75單位長(zhǎng)度的直圓錐時(shí)，其底面直徑極限偏差為0.75＋0.042-0.018來(lái)確定，即圓錐套管偏梯形螺紋錐度K＝0.75＋0.042-0.018／12，所以Kmax＝0.066，Kmin＝0.061。錐度公差帶引起的最大間隙如圖3所示。

圖3 錐度公差帶引起的最大間隙

由圖3可以計(jì)算出，由錐度公差帶引起的最大單側(cè)間隙為

對(duì)于?177.8 mm套管，螺紋全長(zhǎng)L4＝0.106 68 m，則

則直徑方向上最大間隙為

由錐度公差帶引起的間隙，主要表現(xiàn)形式是擴(kuò)大了內(nèi)、外螺紋牙頂和牙底之間的間隙。并且在螺紋連接大端口處影響最大，極限情況下會(huì)使該處螺紋牙頂與牙底之間的間隙達(dá)到5.334×10-4m；在小端口處影響最小，幾乎為0，理論上在小端口處具有一定的密封性。在實(shí)際使用過(guò)程中，由錐度公差帶引起的間隙的危害遠(yuǎn)不如其他公差帶引起的間隙的危害大，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)緊扣后所留余扣的多少加以調(diào)節(jié)，以達(dá)到減小間隙的效果［4］。

1.4 牙頂和牙底弧半徑公差帶引起的間隙

根據(jù)API Spec 5B—2008規(guī)定，在偏梯形螺紋導(dǎo)向面上外螺紋牙頂上取弧半徑最大正偏差＋0.002°，而內(nèi)螺紋上取最大負(fù)偏差-0.002°，得到在該處由弧半徑公差帶引起的間隙，如圖4所示。

圖4 外螺紋導(dǎo)向面齒頂圓弧與內(nèi)螺紋承載面齒底圓弧間最大間隙

由圖4，通過(guò)計(jì)算可以得到此處間隙面積最大值為

式中：R3為外螺紋導(dǎo)向面牙底最小弧半徑；R4為內(nèi)螺紋導(dǎo)向面牙頂最大弧半徑。

則在導(dǎo)向面上由公差帶所引起的間隙面積最大值為

同理可得，偏梯形螺紋承載面上由弧半徑公差帶引起的間隙面積最大值為

式中：R1為外螺紋導(dǎo)向面牙頂最小弧半徑；R2為內(nèi)螺紋導(dǎo)向面牙底最大弧半徑。

同理可得，在偏梯形外螺紋導(dǎo)向面底部由弧半徑公差帶引起的間隙面積最大值為

式中：R5為外螺紋承載面牙頂最大弧半徑；R6為內(nèi)螺紋承載面牙底最小弧半徑。

因此，在1個(gè)螺距范圍內(nèi)由偏梯形螺紋牙頂和牙底弧半徑公差帶引起的間隙面積最大值為由牙頂、牙底弧半徑公差帶產(chǎn)生的是2條螺旋狀的空間間隙帶，該間隙帶的法向截面積略小于由牙高公差帶引起間隙帶的法向截面積。

2 提高偏梯形螺紋密封性的措施

在使用API偏梯形螺紋套管時(shí)，由于螺紋加工公差帶的存在，使得螺紋連接時(shí)在牙底和牙頂之間必然存在著內(nèi)外相通的螺旋狀的空間間隙帶，嚴(yán)重影響了API偏梯形螺紋的密封性。為了提高API偏梯形螺紋的密封性，可以采取以下措施：

1） 優(yōu)化螺紋公差帶。

偏梯形螺紋間隙產(chǎn)生的直接原因是受其加工公差的影響，該影響從2個(gè)方面體現(xiàn)出來(lái)：①提供了油氣泄漏的通道；②影響螺紋配合過(guò)盈量，從而影響了內(nèi)外螺紋之間的接觸壓力。因此，通過(guò)優(yōu)化螺紋公差帶，可以達(dá)到減小螺紋之間間隙和增加接觸壓力的目的，從而提高偏梯形螺紋的密封性能。

2） 使用性能優(yōu)越的螺紋脂。

螺紋脂在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中起著十分重要的作用，不僅可以提高螺紋連接處的潤(rùn)滑性，防止螺紋粘結(jié)的發(fā)生，更重要的是可以用來(lái)提高螺紋密封性。但是由于API螺紋脂屬于油基質(zhì)螺紋脂，其最大的缺點(diǎn)是在長(zhǎng)期服役過(guò)程中或高溫下，會(huì)逐漸揮發(fā)或變質(zhì)，從而使得螺紋密封性能下降。因此，為了使偏梯形螺紋在惡劣地質(zhì)條件下也可以長(zhǎng)期保持較好的密封性，應(yīng)選擇性能優(yōu)越的螺紋脂。

3） 提高螺紋表面處理的鍍層厚度。

為了防止螺紋銹蝕及粘扣的發(fā)生，通常對(duì)螺紋表面進(jìn)行鍍層處理。該工藝能提高螺紋的密封性能，提高的程度取決于鍍層的厚度，一般認(rèn)為鍍層厚度超過(guò)60μm，對(duì)螺紋的密封性能具有較明顯的提高，但如果厚度低于20μm，螺紋泄漏的可能性會(huì)較大［5］。

4） 增加密封環(huán)。

在APISpec 5CT［6］補(bǔ)充條件SR13中提出帶密封槽的接箍，其可以大幅減少流體的泄漏通道。選擇合適的密封槽的配合量和彈性密封環(huán)，避免配合過(guò)松或過(guò)緊，從而達(dá)到保證螺紋密封性的目的。

5） 嚴(yán)格控制上扣操作。

螺紋配合的接觸力能否達(dá)到最合適，最佳過(guò)盈量能否實(shí)現(xiàn)，主要取決于上扣操作，尤其是當(dāng)螺紋處于配合過(guò)松狀態(tài)時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重降低螺紋的密封性［7］。為了保證螺紋連接的可靠性，必須合理控制轉(zhuǎn)矩和位置。

3 結(jié)論

1） 由于加工公差的存在，偏梯形螺紋連接必然會(huì)存在內(nèi)外相通的螺旋狀的空間間隙帶。因此，為保證偏梯形螺紋連接的密封性，在實(shí)際使用過(guò)程中必須采取合理的措施以提高密封性能。

2） 錐度與其他3個(gè)螺紋參數(shù)對(duì)螺紋密封性的影響方式不同。前者不僅與其公差帶有關(guān)，還更多地受到實(shí)際使用過(guò)程中上扣操作的影響。

3） 從公差帶產(chǎn)生的最大間隙面積的角度來(lái)講，除錐度公差帶外的其余3個(gè)公差帶對(duì)螺紋密封性的影響，以牙高公差帶的影響最大；牙頂、牙底弧半徑公差帶對(duì)密封性的影響次之，但與牙高公差帶的影響差距不大；牙型角公差帶所造成的影響最小。

4） 根據(jù)API Spec 5B—2008關(guān)于偏梯形螺紋牙型及尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，牙型高度的公差是1.5748× 10-3m±2.54×10-5m，而實(shí)際制造出來(lái)的螺紋的牙型高度由于正、負(fù)偏差的影響，會(huì)導(dǎo)致在某些螺紋牙配合處可能出現(xiàn)過(guò)盈配合，而在別的螺紋配合處出現(xiàn)間隙，而其他公差帶在螺紋牙配合中只會(huì)導(dǎo)致間隙的產(chǎn)生。這就使得雖然從最大間隙面積的角度來(lái)講，牙高公差帶的危害性稍大于牙頂、牙底弧半徑公差帶，但是在實(shí)際使用過(guò)程中前者對(duì)密封性的危害要小于后者。

［1］ 樊秀江.國(guó)內(nèi)API套管接頭螺紋密封性的研究現(xiàn)狀與展望［J］.遼寧化工，2010，39（10）：1105-1107.

［2］ API Spec 5B—2008，Specification for Threading，Gaging，and Threaded Inspection of Casing，Tubing and Line pipe Treads［S］.

［3］ 史交齊，林凱，解學(xué)東，等.提高API螺紋油管和套管密封性的措施［J］石油機(jī)械，2002，30（3）：47-49.

［4］ 呂栓錄，楊成新，文志明，等.244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4長(zhǎng)度公差分析及控制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：63-66.

［5］ 練章華，楊龍，韓建增，等.套管偏梯形螺紋接頭泄漏機(jī)理的有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（5）：53-57.

［6］ APISpec 5CT—2011.Specification for Casing and Tubing［S］.

［7］ 呂栓錄，龍平，趙盈，等.339.7mm偏梯形螺紋接頭套管密封性能和連接強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（5）：25-29.

Effect Analysis of Thread Tolerance Zone on Seal of Buttress Thread

For the reason of the influence of the tolerance zone，there exist a gap between the API buttress casing thread，and the formation of spiral shape space gap.This gap is influenced by the height of thread tolerance zone，tooth type angle tolerance zone，taper tolerance zone and the tip of thread，thread root arc radius tolerance zone.From the view of the gap area caused by the tolerance zone，the effect on the sealing of the buttress thread is analyzed，and the calculation results show that the high tolerance zone effect the most，the second is the tooth，tooth bottom arc radius tolerance zone effect，and the tooth type angle tolerance effect is the least，the effect of the taper tolerance zone is controlled by the button on the site.At last，some reasonable measures are proposed to improve the connection sealing.The results provide the technical supports for the design，machining，and on-site evaluation of fit-for-service of buttress thread casing.

buttress thread casing；seal performance；threaded connection

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.001

1001-3482（2014）09-0001-04

2014-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50674077）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2006AA09Z312）

彭泉霖（1990-），男，四川仁壽人，碩士研究生，主要從事管柱及巖石力學(xué)研究，E-mail：474713710＠qq.com。