API偏梯形螺紋接頭套管設(shè)計(jì)解析

彌小娟 ，呂拴錄

(1.新疆油田公司烏魯木齊石油物資儲(chǔ)運(yùn)公司　新疆　烏魯木齊　830068；2.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系　北京　102249)

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·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

API偏梯形螺紋接頭套管設(shè)計(jì)解析

彌小娟1，呂拴錄2

(1.新疆油田公司烏魯木齊石油物資儲(chǔ)運(yùn)公司新疆烏魯木齊830068；2.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系北京102249)

通過(guò)對(duì)API偏梯形螺紋接頭牙形、基本參數(shù)和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，加深了對(duì)偏梯形螺紋接頭設(shè)計(jì)原理的理解。通過(guò)對(duì)API偏梯形螺紋接頭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，搞清了偏梯形螺紋接頭螺紋總長(zhǎng)L4、完整螺紋長(zhǎng)度L7、不完整螺紋長(zhǎng)度g、螺紋大端直徑D4、螺紋中徑E7和管體外徑等參數(shù)之間的關(guān)系。

偏梯形螺紋套管接頭；螺紋牙形；螺紋結(jié)構(gòu)尺寸；螺紋長(zhǎng)度；螺紋中徑；螺紋大端直徑

0　引　言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展和鉆井技術(shù)的要求，深井和超深井越來(lái)越多，對(duì)套管連接強(qiáng)度要求越來(lái)越高。API偏梯形螺紋接頭連接強(qiáng)度高，目前已經(jīng)被大量使用在深井和超深井。對(duì)于API偏梯形螺紋接頭套管，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]論述了244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4長(zhǎng)度公差分析及控制。文獻(xiàn)[2]對(duì)339.7 mm偏梯形螺紋接頭套管密封性能和連接強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[3]分析了螺紋公差帶對(duì)偏梯形螺紋接頭密封性能的影響。然而，由于目前缺乏對(duì)API偏梯形螺紋接頭設(shè)計(jì)原理及各項(xiàng)螺紋參數(shù)含義等系統(tǒng)分析和研究，油田套管柱設(shè)計(jì)選擇扣型方面還存在不足，生產(chǎn)廠在偏梯形螺紋接頭套管生產(chǎn)、檢驗(yàn)方面還存在不同的認(rèn)識(shí)，油田在偏梯形螺紋接頭套管到貨驗(yàn)收方面也存在一些問(wèn)題。因此，很有必要對(duì)偏梯形螺紋接頭牙形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1　API偏梯形螺紋接頭設(shè)計(jì)思想

1.1管螺紋設(shè)計(jì)思想

管螺紋設(shè)計(jì)主要包括螺紋基本牙形[4]設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)兩項(xiàng)內(nèi)容。螺紋基本牙形設(shè)計(jì)包括齒高、螺距和牙形角的確定；螺紋結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)包括螺紋直徑、螺紋錐度和螺紋長(zhǎng)度的確定。螺紋的齒高、螺距和牙形角是確定螺紋牙形的三個(gè)基本要素；螺紋的直徑、錐度和長(zhǎng)度是確定螺紋整體結(jié)構(gòu)尺寸的三個(gè)基本要素。

1.2偏梯形螺紋牙形設(shè)計(jì)

為提高螺紋接頭的軸向承載能力，API Spec 5B[5]偏梯形螺紋牙形采用近似 “等強(qiáng)度梁”的“偏梯形”截面形狀，其牙形角為13°，其中承載面牙形半角為3°，導(dǎo)向面牙形半角為10°，如圖1所示。承載面牙形半角采用小角度自鎖設(shè)計(jì)，使得螺紋接頭在軸向拉伸載荷作用下，其內(nèi)、外螺紋承載接觸面之間產(chǎn)生的徑向分力F小于內(nèi)、外螺紋承載接觸面之間的徑向摩擦力，即螺紋承載面牙形半角α小于或等于內(nèi)、外螺紋材料間的摩擦角λ(摩擦角λ=arctanμ，μ為材料的摩擦系數(shù))，減小了內(nèi)、外螺紋沿徑向滑脫失效的傾向。這就是在拉伸載荷作用下，API 偏梯形螺紋接頭不容易發(fā)生滑脫失效的根本原因。綜上所述，API偏梯形螺紋牙形具有如下兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

圖1　API偏梯形螺紋牙形

1)牙形截面形狀采用近似的“等強(qiáng)度梁”設(shè)計(jì)，承載能力強(qiáng)；

2)牙形承載面采用小角度自鎖設(shè)計(jì)，螺紋接頭不容易發(fā)生滑脫失效。

1.3API偏梯形螺紋的基本參數(shù)

1.4API偏梯形螺紋接頭抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)

為提高偏梯形套管螺紋接頭的整體抗拉強(qiáng)度，API偏梯形套管螺紋接頭從下述兩個(gè)方面進(jìn)行了最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。

a)螺紋接頭本身的抗拉強(qiáng)度要足夠大(理論上大于或等于管體抗拉強(qiáng)度即可)，這就要求內(nèi)、外螺紋應(yīng)有足夠的嚙合長(zhǎng)度以保證接觸強(qiáng)度要求的牙形接觸面積和螺紋抵抗剪切破壞強(qiáng)度要求的牙形剪截面積[3]。

b)外螺紋的牙底小錐自然延伸到管體外徑，就是說(shuō)外螺紋按規(guī)定的錐度在管體外徑處自然消失，全部螺紋在加工過(guò)程中不存在突然退刀現(xiàn)象。同時(shí)，接箍?jī)?nèi)螺紋與全部外螺紋(包括不完整螺紋)配合，這就使得套管螺紋接頭在軸向拉伸載荷作用下的危險(xiǎn)截面積(理論上)應(yīng)該近似等于管體的橫截面積。一般情況下，由于接箍的危險(xiǎn)界面積大于管體，所以說(shuō)，API偏梯形套管螺紋接頭的抗拉強(qiáng)度近似達(dá)到了管體的抗拉強(qiáng)度(圖2)。

2　API偏梯形螺紋的尺寸分析

根據(jù)幾何學(xué)原理，對(duì)圓錐而言，如果確定了圓錐的長(zhǎng)度、錐度和直徑(可以是大端、小端或某一確定截面位置的直徑)數(shù)值，那么這個(gè)圓錐就是唯一確定的。與此類似，在螺紋牙形及螺紋錐度已經(jīng)確定的條件下，螺紋長(zhǎng)度和螺紋直徑是管螺紋設(shè)計(jì)時(shí)必須要確定的兩個(gè)重要參數(shù)。

圖2　API偏梯形螺紋結(jié)構(gòu)尺寸

2.1螺紋長(zhǎng)度

API偏梯形螺紋長(zhǎng)度包括完整螺紋長(zhǎng)度L7、不完整螺紋長(zhǎng)度g以及螺紋全長(zhǎng)L4三個(gè)參數(shù)，其相互關(guān)系如下。

L4=L7+g

(1)

不完整螺紋長(zhǎng)度g僅與螺紋高度h及螺紋錐度k有關(guān)，可以認(rèn)為g是常量。

g=2h/k=2×0.062×16=1.984 in

(2)

將式(2)代入式(1)，得

L4=L7+1.984 in

(3)

對(duì)于規(guī)格大于13 3/8in的偏梯形螺紋套管，

g=2h/k=2×0.062×12=1.488 in

(4)

將(4)式代入(1)式，得

L4=L7+1.488 in

(5)

式(3)和式(5)的意義在于螺紋的長(zhǎng)度尺寸實(shí)質(zhì)上只有一個(gè)，因?yàn)榇_定了L7的長(zhǎng)度也就等于確定了L4長(zhǎng)度，反之亦然。

通過(guò)對(duì)API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的偏梯形螺紋尺寸進(jìn)行分析，可以看出該標(biāo)準(zhǔn)是以常見(jiàn)的7 in套管為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，螺紋全長(zhǎng)尺寸L4按英制單位習(xí)慣進(jìn)行了系列優(yōu)化。

為滿足API偏梯形螺紋接頭套管的抗拉強(qiáng)度理論上達(dá)到管體的抗拉強(qiáng)度的條件，螺紋設(shè)計(jì)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)系列中較大壁厚規(guī)格作為設(shè)計(jì)依據(jù)。API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)是以7 in×0.54 in規(guī)格為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算的。下面，我們通過(guò)7 in×0.54 in管子來(lái)驗(yàn)證上述推斷的正確性。

7 in×0.54 in管子的截面積Sg為

(4)

螺紋有效承載接觸高度為

h1=0.062-2×0.008=0.046(in)/0.0056

螺紋牙形承載面的接觸面積SJC近似等于牙高h(yuǎn)1與螺旋線長(zhǎng)度Lx的積[3]，即

SJC=0.046Lx

(5)

令SJC=Sg，聯(lián)立式(4)、式(5)，解得滿足強(qiáng)度要求的螺旋線長(zhǎng)度為

Lx=238.24(in)

其中，SJC精確的計(jì)算式應(yīng)為SJC=0.046Lcosγ，γ為螺紋的螺旋升角，γ=arctan(p/πd)，cosγ≈1。

螺紋牙形剪截面積SJQ的近似計(jì)算式為

SJQ=b×L

(6)

式(6)中：L—螺紋等效螺旋線長(zhǎng)度；

b—螺紋牙底寬度。

對(duì)于API偏梯形螺紋，牙形剪截面積SSJ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于牙形接觸面積SJC，故在此可以不予考慮。

螺紋每一牙的螺旋線長(zhǎng)度是不同的，在已知螺紋螺旋線長(zhǎng)度的情況要精確計(jì)算螺紋牙數(shù)(或螺紋的軸向長(zhǎng)度)是十分困難的。由于螺紋的錐度較小，螺紋大端與小端的直徑相差不大，可以用公稱值7 in為直徑的圓環(huán)來(lái)近似代替螺紋每一牙的螺旋線長(zhǎng)度，那么滿足強(qiáng)度要求的螺紋的近似牙數(shù)n如下：

n=238.24/(7π)=10.83≈11(牙)[4]

上述結(jié)果表明，對(duì)于7 in×0.54 in規(guī)格的套管，11牙完整螺紋即可滿足抗拉強(qiáng)度要求。如果設(shè)計(jì)螺紋長(zhǎng)度11牙為完整螺紋，再加上不完整螺紋的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，則螺紋接頭的抗拉強(qiáng)度將有一定的定裕量。

不完整螺紋牙數(shù)為n′=1.984÷0.200=9.92≈10(牙)；

螺紋的總牙數(shù)為n+n′=21(牙)；

螺紋全長(zhǎng)L4=21×0.200=4.200(in)。

可以看出，上述結(jié)果與API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中7 in偏梯形螺紋的L4尺寸完全一致。

2.2螺紋大端直徑D4

滿足抗拉強(qiáng)度要求的螺紋長(zhǎng)度確定后，下一步應(yīng)該確定螺紋直徑。一般認(rèn)為，API偏梯形螺紋的中徑值E7作為重要參數(shù)，應(yīng)該屬于螺紋設(shè)計(jì)首先要確定的螺紋直徑值，實(shí)際上不是這樣。依據(jù)API偏梯形螺紋的設(shè)計(jì)理念—螺紋按規(guī)定錐度在管體外徑處自然消失的原則，螺紋的消失直徑值才是API偏梯形螺紋設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定的螺紋直徑，中徑E7只是導(dǎo)出值而已。分析API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)可知，螺紋的理論消失直徑，也就是螺紋大端直徑D4。在確定了基本大端直徑D4后，再加上已經(jīng)確定的螺紋長(zhǎng)度L4和螺紋錐度k，螺紋的結(jié)構(gòu)也就確定了。

螺紋接頭設(shè)計(jì)要明確規(guī)定管體外螺紋接頭與接箍?jī)?nèi)螺紋接頭相互配合的位置關(guān)系，也就是要規(guī)定最小機(jī)緊和最大機(jī)緊位置。分析API手緊與機(jī)緊上扣的位置(圖3)關(guān)系可以看出，

圖3　API偏梯形螺紋接頭擰接位置

對(duì)于7 in套管，管體的最大直徑為Dmax=7×(1+0.75%)=7.052 in。

最大與最小機(jī)緊位置之間的距離為：0.375+0.200=0.575 in，那么，D4=7.052-0.575÷16=7.016 in，D4與API Spec 5B規(guī)定的7 in偏梯形螺紋接頭套管D4值完全相同。

2.3螺紋中徑

螺紋中徑尺寸由下式確定。

E7=D4-h

對(duì)于7 in套管，E7=D4-h=7.016-0.062=6.954 in。

2.4螺紋的其它尺寸

螺紋的其它結(jié)構(gòu)尺寸均可以由相關(guān)尺寸導(dǎo)出，這里不再贅述。

3　結(jié)　語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)API偏梯形螺紋套管接頭牙形、基本參數(shù)

和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，加深了對(duì)偏梯形螺紋接頭設(shè)計(jì)原理的理解。

2)通過(guò)對(duì)API偏梯形螺紋套管接頭牙形和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，對(duì)API偏梯形螺紋接頭的設(shè)計(jì)原理及各項(xiàng)螺紋參數(shù)之間的關(guān)系有了更深刻、更全面的認(rèn)識(shí)。

3)本文對(duì)于套管生產(chǎn)廠家和從事套管加工和檢驗(yàn)的技術(shù)人員有一定指導(dǎo)意義。同時(shí)對(duì)油田從事套管柱設(shè)計(jì)和套管驗(yàn)收的技術(shù)人員也有一定參考價(jià)值。

[1] 呂拴錄，姬丙寅，楊成新，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.

[2] 呂拴錄,龍平，趙盈,等.339.7 mm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.

[3] 彭泉霖，何世明，郭元恒，等.螺紋公差帶對(duì)偏梯形螺紋密封性的影響分析[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014,43(9)：1-4.

[4] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 7307-2001 55°非密封管螺紋[S].2011.

[5] API.API SPEC 5B SPECIFICATION FOR THREADING,GAGING, AND THREADED INSPECTION OF CASING, TUBING, AND LINE PIPE THREADS.15th ed [S]. Washington D.C., 2004.

Analysis on the Design of API Buttress Thread Joint

MI Xiaojuan1, LV Shuanlu2

(1.UrumqiPetroleumStorageandTransportationMaterialsCompanyofPetroChinaXinjiangOilfieldCompany,Urumqi,Xinjiang830068,China;2.MaterialScienceandEngineeringDepartment,ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249,China)

Based on the analysis of thread profile design, basic parameters, thread tensile strength design, and so on for API buttress thread connection, the design principle of API buttress thread joint is further understood. Through analyzing the API buttress thread joint structure dimension, it is clarified the relationship among total thread lengthL4, imperfect thread lengthg, the major diameterD4, pitch diameterE7,and the outside diameter of pipe body.

buttress thread casing connection；thread profile；thread structure dimension；thread length; pitch diameter；major diameter

彌小娟，女，1973年生，工程師，1992畢業(yè)于大連大學(xué)工學(xué)院商品及養(yǎng)護(hù)專業(yè)，一直從事石油專用管材的檢驗(yàn)工作。E-mail:13699998753@163.com

TE931

A

2096-0077(2016)04-0011-03

2015-12-13編輯：葛明君)