特殊扣鋼管的疲勞理論、試驗與應(yīng)用

江 勇，王春輝，李鵬沖

（中油管道物資裝備有限公司，河北 廊坊065000）

特殊扣鋼管的疲勞理論、試驗與應(yīng)用

江 勇，王春輝，李鵬沖

（中油管道物資裝備有限公司，河北 廊坊065000）

為了促進特殊扣鋼管抗疲勞性能的進一步提升，從特殊扣鋼管管體材料的疲勞、螺紋連接的疲勞、螺紋連接的設(shè)計等方面進行了研究。分析了循環(huán)載荷作用下特殊扣鋼管疲勞產(chǎn)生的主要原因；以法國V&M公司和阿根廷Tenaris公司等國外主流抗疲勞特殊扣產(chǎn)品為例，闡述了螺紋設(shè)計時摩擦系數(shù)、螺距、錐度和應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)對疲勞的影響；介紹了研究特殊扣鋼管疲勞問題的試驗裝置及測取S-N曲線的基本問題，重點講述了共振型全尺寸疲勞評價試驗裝置的試驗原理。研究結(jié)果表明，影響螺紋結(jié)構(gòu)套管疲勞強度的最主要因素是應(yīng)力集中系數(shù)（SCF），螺紋結(jié)構(gòu)往往在公端最后一圈螺紋LET處應(yīng)力最大，應(yīng)力集中系數(shù)也較大。因此，螺紋結(jié)構(gòu)套管在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)盡量采用圓滑過渡來降低應(yīng)力集中系數(shù)，母端外側(cè)應(yīng)考慮抗彎曲機構(gòu)；可適當(dāng)降低母端的壁厚、提高螺紋結(jié)構(gòu)的加工精度，在設(shè)計上盡量考慮應(yīng)力釋放部分及去除殘余應(yīng)力工藝的使用，從而提高特殊扣鋼管的抗疲勞性能。

特殊扣；鋼管；疲勞；應(yīng)力集中；LET；S-N曲線

特殊扣鋼管的疲勞問題是一個新興的研究課題，在石油工業(yè)工程中主要體現(xiàn)在以下幾個方面的應(yīng)用：①套管鉆井，在定向井或水平井的鉆井過程中，由于套管鉆井方式具有較低的鉆井成本和較短作業(yè)時間（減少了起下鉆和更換鉆頭的時間）而廣泛應(yīng)用在垂深較淺的油井中，但套管本身的壁厚較薄，加工扣的扭矩臺階困難，因此設(shè)計抵抗拉伸、彎曲、循環(huán)載荷的高抗扭矩及抗疲勞特性的特殊扣是一個技術(shù)難點；②深海隔水管，管體由于受到風(fēng)載、洋流的循環(huán)載荷及鉆井平臺的漂移載荷作用而引起振動，因此，在海洋鉆井或采油工程中需考慮隔水管連接螺紋的疲勞問題；③鉆柱組件，本身受高扭矩循環(huán)載荷作用而不得不考慮疲勞問題；④海洋平臺樁腿。

國際上幾家規(guī)模較大的鋼管制造廠家都已設(shè)計制造了抗疲勞特性的特殊扣鋼管產(chǎn)品，如Tenaris集團公司的Blue Connector和Blue Riser系列產(chǎn)品；V&M公司的VAM TOP FE、VAM TTR、VAM PDW 1、VAM LDR、VAM DPR SR和VAM DPR HP系列產(chǎn)品；日本JFE公司的FOX扣產(chǎn)品；俄羅斯鋼管冶金公司TMK的ULTRA-DQX系列特殊扣鋼管產(chǎn)品等。

1 特殊扣鋼管的疲勞

1.1 疲勞理論

疲勞是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下而未使其達到屈服強度的條件下，在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋，或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的突然失效破壞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般還具有累積效應(yīng)。在非垂直井和側(cè)鉆井的鉆井過程中，對管柱造成最嚴(yán)重的疲勞破壞通常發(fā)生在最大狗腿度處，這些地方的曲率半徑一般在300~850 m，這一情況在擁有大量叢式井的鉆井平臺上較為常見。圖1所示為非垂直井和海洋平臺環(huán)境下疲勞載荷的產(chǎn)生情況[1-2]。文獻[1]和文獻[3]給出了與狗腿度相關(guān)的管柱疲勞彎曲應(yīng)力的經(jīng)驗公式。

有學(xué)者統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，73%的鉆柱失效主要是由疲勞破壞引起的[4-5]，螺紋扣典型的疲勞破壞形貌如圖2[6-8]所示。

一般來說，不帶螺紋連接的鋼管管體本身具有一個基礎(chǔ)疲勞極限，即材料疲勞，而帶螺紋連接的鋼管又同時存在著結(jié)構(gòu)疲勞問題，文獻[3]認(rèn)為在特殊扣鋼管的疲勞問題上，螺紋連接是管體的薄弱環(huán)節(jié)，因此其疲勞極限可看作是材料基礎(chǔ)疲勞極限的下降。為了同時兼顧特殊扣的密封性問題，文獻[9]引入了性能系數(shù)Performance factor概念

式中：F—螺紋結(jié)構(gòu)的受力問題（與疲勞有關(guān)）；

O—螺紋副因公母端錐度差引起的在壓力作用下的開口大?。葱孤┑娘L(fēng)險）；

α—材料系數(shù)；

β—結(jié)構(gòu)綜合系數(shù)。

文獻[10]認(rèn)為齒根處多軸應(yīng)力分布狀態(tài)是螺紋連接疲勞問題最關(guān)鍵的因素，文獻[3]中也提到了在循環(huán)應(yīng)力作用下，均值應(yīng)力對疲勞強度的影響。

圖1 鋼管面臨的疲勞載荷環(huán)境[1-2]

圖2 螺紋扣疲勞破壞典型形貌

1.2 管體材料的疲勞

管體本身的疲勞是一個基礎(chǔ)研究問題，最主要影響因素包括抗拉強度、顯微組織狀態(tài)（如鍛態(tài)、熱軋態(tài)和調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)等）、材料晶粒度、殘余應(yīng)力、腐蝕性環(huán)境和表面狀態(tài)等，同時還與鋼管本身制造精度和質(zhì)量（如橢圓度、壁厚不均度等）有關(guān)，限于篇幅本研究于此不再贅述。

1.3 螺紋連接的疲勞

螺紋連接對疲勞問題的影響主要是結(jié)構(gòu)性問題。螺紋連接從整體形式上可分為整體連接型和接箍型（T&C）兩大類，如圖3所示。其中，整體連接型還包括加厚結(jié)構(gòu)，但除應(yīng)用在鉆桿之外其他應(yīng)用較少見，如圖3（d）螺紋連接型式。

顯然，在油氣井管柱結(jié)構(gòu)中，整體型連接結(jié)構(gòu)提供了較大外環(huán)形空間優(yōu)勢，相對來說外徑較小，同時接箍型連接由于在結(jié)構(gòu)型式上比整體連接型多出接箍部分，在抗拉強度方面優(yōu)勢比較明顯，但也增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這種結(jié)構(gòu)對疲勞強度的影響尚未有量化研究成果。

大量基礎(chǔ)研究[11-14]表明，固定結(jié)構(gòu)型導(dǎo)致的疲勞破壞主要取決于應(yīng)力集中系數(shù)SCF（或SIF），即局部應(yīng)力應(yīng)變概念（LSSC效應(yīng)）[15]。文獻[16]認(rèn)為，T&C型結(jié)構(gòu)對SCF的敏感性比直連型要低，但沒有量化結(jié)論和論證。文獻[3]和文獻[17]提出一種觀點，認(rèn)為基于最小曲率半徑的SCF理論并不能完全代表鋼管螺紋連接的應(yīng)力狀態(tài)，其原因未展開闡述。SCF一般來源于有限元模擬而非試驗測定的結(jié)果，可靠性和精度來源于模擬軟件本身和建模方法。

圖3 螺紋連接形式

文獻[4]指出，單齒螺紋像一個軸上的U形槽一樣，具有局部應(yīng)力劇增效應(yīng)，如圖4所示。文獻[15]采用U形槽類比的辦法，根據(jù)DIN標(biāo)準(zhǔn)螺栓的結(jié)構(gòu)疲勞問題，以在熱采環(huán)境中熱傳導(dǎo)作用下396.9 mm（18.625 in）規(guī)格N80套管為研究對象，進行了偏梯扣低周疲勞壽命的預(yù)測研究，并列出了SCF計算經(jīng)驗公式

式中：t—齒高；

r—過渡圓弧半徑。

圖4 螺紋的U形槽缺口效應(yīng)

類比到鋼管螺紋中，當(dāng)t一定時，r越大，SCF則越小。有資料顯示，普通標(biāo)準(zhǔn)螺栓螺紋的SCF為4~10，鉆桿螺紋的 SCF也在 4以上。1946年Neuber[18]提出了與尺寸相關(guān)的缺口系數(shù)

式中：ρ—常數(shù)，與材質(zhì)相關(guān)。

因此，r越大，Kf也就越大。該缺口系數(shù)可看作是螺紋連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的一個側(cè)面。

文獻[19]中通過數(shù)值模擬方法，得出圓滑的Cone135結(jié)構(gòu)SCF最低，為1.35，而形狀尖銳的Sharp Diamond結(jié)構(gòu)SCF最高，達到2.41。更為直觀的理解是，通常外觀和結(jié)構(gòu)尺寸急劇變化的拐角或尖銳拐角處，往往具有較大的應(yīng)力集中。所以，在測試材料的疲勞強度時，要求試樣具有較大曲率半徑和較高的光潔度。另外，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，尺寸變化處通常采用圓滑過渡。但也有研究表明，光潔度對疲勞性能影響不大，如文獻[20]中通過對比鋼管外表面光潔度125 RMS和500 RMS條件下的不帶扣的整管疲勞試驗結(jié)果，得出光潔度對疲勞性能的影響并不明顯的結(jié)論。

對于石油鋼管的螺紋結(jié)構(gòu)來說，大量研究資料[4,8-10,16,21-22]均表明，應(yīng)力集中通常發(fā)生在公端最后幾圈螺紋處，其中以公端最后一圈螺紋（LET）的SCF最大，對于錐管螺紋來說這是必然的。這一結(jié)論在文獻[21]中稍有不同，對于直連型結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中發(fā)生于最后一圈或者兩圈螺紋處，而普通T&C結(jié)構(gòu)則發(fā)生在最后一圈不完整螺紋以內(nèi)。Bertini[1]在研究鋁合金鉆桿管體匹配鋼質(zhì)母端（Tool Joint）疲勞性能時發(fā)現(xiàn)，由于材質(zhì)引起的剛度差異導(dǎo)致鋁合金公端的螺紋消失處成為疲勞敏感處，而不是母端。文獻[22]認(rèn)為，包括LET在內(nèi)的最后4~6圈螺紋承載了整個連接的90%以上載荷，文獻[4]則認(rèn)為LET承載了全部載荷的47%。

綜合來看，上述眾多研究主要涵蓋數(shù)值模擬和實物試驗驗證兩個方面，如圖5所示，基本與數(shù)值模擬結(jié)論一致。比利時Ghent大學(xué)為研究鋼管螺紋疲勞問題專門開發(fā)了有限元模塊“ThreadGen”[10]， 用來建模和網(wǎng)格化。 圖 5（a）所示為典型螺紋承載受力二維數(shù)值模擬結(jié)果。需要指出的是，對于螺紋連接結(jié)構(gòu)，二維數(shù)值模擬與三維模擬結(jié)果（圖5（b）所示）相當(dāng)接近。雖然二維模擬不可避免地忽略了螺紋的螺旋結(jié)構(gòu)，但由于螺距占中徑一半的比例非常小，在結(jié)構(gòu)上螺紋連接仍可近似看作軸對稱，而三維模擬運算量較大，但很多二維模擬研究經(jīng)常忽略母端退刀槽部分的影響[4]。

圖5 螺紋連接承載受力二維和三維模擬結(jié)果

在應(yīng)用方面，文獻[15]研究了服役溫度低于200℃時，SCF僅僅與螺紋結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝過程有關(guān)（說明螺紋加工精度嚴(yán)重影響SCF），當(dāng)螺紋受螺紋受拉壓載荷時，通過三維數(shù)值模擬計算得到的SCF分別為3.51和2.73。但明顯的是，在此溫度下，一般鋼鐵材料的理化性能變化較小，結(jié)構(gòu)變形也不明顯，在螺紋尺寸的變形上可以忽略不計。文獻[21]認(rèn)為，在狗腿度較小情況下，SCF＜3是足夠的。普通設(shè)計的特殊扣產(chǎn)品，應(yīng)用于套管鉆井作業(yè)時，通常SCF＞2，理想狀況是SCF越低越好，Tenaris在177.8 mm （7 in）32#L80特殊通徑套管的PJD扣部分試驗中，得到的SCF達到了1.0，而加厚直連型扣SCF甚至達到了0.9。試驗得出了SCF=1.3時具有95%的工業(yè)置信度指標(biāo)的結(jié)論。根據(jù)這一試驗結(jié)果，該文獻認(rèn)為該扣型可在 9.5°/30.48m（9.5°/100ft）的狗腿度和10.2 kN（220 kips）的載荷下作業(yè)壽命超過80天。同時該文獻認(rèn)為，SCF還與螺紋連接的密封性有關(guān)，這與文獻[4]中的結(jié)論一致。

2 螺紋連接設(shè)計

2.1 母端非螺紋部分

文獻[5]指出，通常母端的剛度比較高。根據(jù)前述，理想狀態(tài)下螺紋連接的任一截面處可以看作是軸對稱的公母端的雙環(huán)形接觸。根據(jù)材料力學(xué)[23]理論，環(huán)形結(jié)構(gòu)的截面剛度與慣性矩I成正比，I的計算式為

式中：D—環(huán)形結(jié)構(gòu)的外徑；

d—環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑。

從公式（4）中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減小壁厚時，外徑減小，慣性矩減小，剛度也就減小。文獻[7]也指出外徑對疲勞性能的影響：外徑越大，SCF越大。文獻[10]中認(rèn)為，在剛度漸變的螺紋副部分公母端慣性矩差

式中：IZ,1—螺紋末端處母端慣性矩；

IZ,2—螺紋末端處公端慣性矩；

IZ,3—LET處母端慣性矩；

IZ,4—LET處公端慣性矩；

L—螺紋末端至LET處沿鋼管軸線距離。

由于接箍部分通常有較大的外徑和較厚的壁厚，也就具有較大剛度，因此降低應(yīng)力集中主要有兩個途徑：①降低母端的剛度；②螺紋處光滑的過渡結(jié)構(gòu)尺寸。圖6所示為螺紋母端的抗疲勞設(shè)計，有的做法是通過降低母端壁厚來降低剛度，如圖6（e）所示。而文獻[24-27]則通過在接箍外表面設(shè)計應(yīng)力圓滑過渡或漸進式過渡來實現(xiàn)螺紋部分受載時應(yīng)力的均勻過渡，如圖6（a）、圖 6（d）、 圖 6（g）和圖 6（h）所示。 還有的設(shè)計更短的接箍長度或減小退刀槽部分的長度，如圖6（f）所示。

圖6 螺紋母端的抗疲勞設(shè)計

圖6所示這些做法使得整體結(jié)構(gòu)的疲勞性能得以提高，并在試驗數(shù)據(jù)中得到了驗證[5]。文獻[9]對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接箍壁厚減小2 mm，疲勞性能的提高最為顯著。而在文獻[28]的小尺寸試驗中，將接箍的壁厚減小1 mm，疲勞極限升高20%。但是，減小接箍壁厚的做法可能帶來接頭抗拉強度和效率的下降。同時試驗發(fā)現(xiàn)，接箍壁厚減小越多，導(dǎo)致下文所述的表征泄漏風(fēng)險的開口O值越大，這體現(xiàn)了前文所述Performance factor矛盾的地方。目前這些專利僅僅是概念設(shè)計，沒有具體的尺寸參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)做支撐。

靠近接箍末端部分外表面的漸進式尺寸設(shè)計或圓弧過渡來改善應(yīng)力集中分布的理念在很多實際設(shè)計中都有體現(xiàn)[7,29]，圖7（a）所示為BP公司抗疲勞特殊扣設(shè)計。而美國Subsea Riser Products[30]公司在為深水鉆井隔水管設(shè)計一種承插式接頭時也采取了這樣的理念，奇特之處在于這種依靠膨脹原理的接頭并沒有公母端螺紋連接，也就不存在LET問題，如圖7（b）所示。該產(chǎn)品的全尺寸疲勞試驗也顯示了良好的疲勞性能。

圖7 抗疲勞特殊扣結(jié)構(gòu)

2.2 螺紋連接結(jié)構(gòu)型式設(shè)計

2.2.1 螺紋

對于非直連型螺紋連接，除了應(yīng)力集中在LET的結(jié)論外，結(jié)構(gòu)尺寸對整體連接疲勞性能的影響研究較為少見，文獻[10]認(rèn)為錐角、螺距、螺紋間干涉和公差等問題可以在LET處得到優(yōu)化設(shè)計，從而改善應(yīng)力分布。在螺紋本身部分，Assanelli的研究[31]表明，通過改變公母端的螺紋錐度，形成較小失配度，可改善應(yīng)力分布，進而改善疲勞性能。文獻[4]認(rèn)為，在受到拉伸載荷時，螺紋面之間的摩擦系數(shù)μ是控制齒面相對滑動的最主要因素，這一點在有限元模擬中已得到驗證。同時，在疲勞載荷作用下，這種相對滑動可能會導(dǎo)致磨損疲勞失效。表征螺紋密封性能的開口大小O可看作是公母端螺紋承載面的垂直距離，與無量綱摩擦系數(shù)μ有以下經(jīng)驗關(guān)系，即當(dāng)管體綜合應(yīng)力超過屈服強度即S＞SL時，O=0.014（S-SL）+0.025，其他 SL=124+169μ。 也就是說，當(dāng)循環(huán)疲勞載荷超過公端材料的拉伸強度之后，螺紋齒面接觸處有可能發(fā)生磨損疲勞開裂。同時該文獻發(fā)現(xiàn)，決定齒面位移變化情況的公母端錐度差Δt越大，開口大小O近乎線性越小。根據(jù)該結(jié)論可知，μ和 Δt是影響前述Performance Factor的關(guān)鍵因素。另外，μ和螺紋脂及螺紋面的表面狀況有著復(fù)雜的關(guān)系，可以通過求取扭矩曲線上升部分（即機緊部分）的斜率來獲取，這在文獻[7]中有詳盡的數(shù)據(jù)和研究分析。有研究[8]表明，在螺紋面上纏裹尼龍的方法也可改善疲勞壽命，同樣也是這個原理，尤其是處于螺紋齒之間未產(chǎn)生滑移，從而未產(chǎn)生泄漏通道，齒面仍保持嚙合狀態(tài)的低應(yīng)力高周疲勞區(qū)，但無研究表明該方法適用于工業(yè)應(yīng)用。

日本的Yamamoto[16,32-34]采用變螺距技術(shù)（如圖8所示）應(yīng)用在JFE公司的FOX扣上，也可做到應(yīng)力的均勻性分布，從而提高連接部位抗疲勞性能和連接強度，顯著提高抗粘扣性能。這種變螺距設(shè)計主要體現(xiàn)在母端上，公端螺距沒有變化，原理是使母端承載更多載荷。遺憾的是，F(xiàn)OX扣并不是以抗疲勞性為賣點，也沒有發(fā)布實物疲勞評價試驗曲線。

圖8 變螺距螺紋示意圖

由于在服役條件下，磨損會惡化齒面嚙合的公差配合狀況，從而一定程度上降低抗疲勞性能，因此螺紋連接齒型設(shè)計的改善對抗疲勞性能所帶來的效果沒有其他途徑有效。在齒型設(shè)計上，近30多年來有許多專利公布，這些設(shè)計的基本原則也包括降低應(yīng)力集中系數(shù)SCF。文獻[10]總結(jié)了部分與抗疲勞性能相關(guān)的設(shè)計，例如圖9（a）所示的基于圓扣的設(shè)計，在齒根部分設(shè)計了應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，公端部分較母端有稍小的錐度角，造成人為螺紋干涉。圖9（b）和圖 9（c）是基于偏梯扣型設(shè)計的具有加強疲勞性能的特殊螺紋，具有0°承載面角和較大的齒根半徑，一定程度上加強了密封性能。這種扣型主要應(yīng)用在海洋隔水管、海洋結(jié)構(gòu)樁腿管、非常規(guī)鉆井和鉆柱上。值得一提的是，圖9（d）所示為在偏梯扣型基礎(chǔ)上設(shè)計的一種負(fù)角度的承載面角，這種設(shè)計除了降低磨損疲勞失效的可能性外，具有極高的抗過扭矩性能，密封性也較好，缺點是加工難度極大。同時，由于承載面處較大半徑的過渡圓角，該結(jié)構(gòu)具有較為優(yōu)異的抗疲勞性能，這與文獻[7]中的設(shè)計相仿。圖9（e）則是一種不規(guī)則的扣型設(shè)計，具有S形的承載面和距徑向位置可變的承載面角。雖然該設(shè)計會帶來更為均勻的載荷分布，但由于齒型特殊，對公差設(shè)計和生產(chǎn)刀具要求更為嚴(yán)格，且螺距可變，會造成制造、檢驗和維護成本高，導(dǎo)致適用性變差。同樣，圖9（f）也是基于偏梯扣型設(shè)計的較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，此設(shè)計也會導(dǎo)致檢驗和維護成本升高，該結(jié)構(gòu)在倒數(shù)第二圈螺紋和最后一圈螺紋處設(shè)計了附加的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)。

文獻[29]通過改善偏梯扣型，去除其具有高應(yīng)力的公母扣齒底部分的表面接觸，將原偏梯扣的導(dǎo)入面改為大直徑的圓弧面接觸，降低了螺紋牙面的應(yīng)力集中系數(shù)，并消除了原偏梯扣承載面和導(dǎo)入面的間隙，從而提高了密封性，如圖10所示。

另外，文獻[35]列出了一種雙徑齒根的糙齒鉆鋌螺紋結(jié)構(gòu)，齒數(shù)下降到TPI=3，同時采用公端應(yīng)力釋放槽及齒根輥壓工藝，如圖11所示。結(jié)果顯示，該加強設(shè)計的鉆鋌結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)于API普通鉆鋌至少9倍的疲勞壽命。

圖9 抗疲勞螺紋齒型設(shè)計

圖10 BP公司改進型隔水管用三角形螺紋

圖11 抗疲勞鉆鋌螺紋設(shè)計

2.2.2 密封型式

關(guān)于特殊扣密封部分的研究是一個比較普遍的主題，為了加強整體結(jié)構(gòu)的密封性能，通常都要設(shè)計密封機構(gòu)。文獻[10]指出金屬對金屬密封處同時也是磨損疲勞損壞的敏感區(qū)域。通過設(shè)計光滑過渡的結(jié)構(gòu)尺寸，可以降低剛度，這一點不僅應(yīng)用在接箍上，也應(yīng)用在扣本身的密封型式上。最為常見的氣密封扣型中，采用金屬對金屬的密封型式，嚴(yán)格的加工精度（光潔度）要求同樣有益于降低局部應(yīng)力集中，提高疲勞強度。文獻[16]也對比總結(jié)了錐形對錐形、球形對錐形的密封型式，從其接觸壓力分布圖的對比上看，球形對錐形密封型式具有較好的應(yīng)力均勻分布性，具有更低的SCF。Yamamoto等人[34]設(shè)計了一種三變徑的密封型式，也顯著地降低了密封部分的應(yīng)力集中。

2.2.3 扭矩臺階

在一些高溫高壓井和一些套管鉆井的應(yīng)用中，往往要求套管有較高扭矩，這時的螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用公端對頂?shù)姆桨富蛘呖紤]引入扭矩臺階，公端對頂方案中任一公端的鼻子部分自動互為扭矩臺階。這些扭矩臺階起到傳遞扭矩能量至密封處以及保持接觸應(yīng)力的作用，并自然降低了接箍外徑，提高套管外環(huán)形空間，也對前述接箍剛度的降低有益，從而提高疲勞強度，但是文獻[16]認(rèn)為延伸出來的公端鼻子部分則提高了公端剛度。另外需要指出的是，接觸應(yīng)力的上升也會導(dǎo)致粘扣風(fēng)險顯著提高。

2.2.4 應(yīng)力釋放槽

很多實踐表明，通過在齒尾設(shè)計應(yīng)力釋放槽，釋放在尺寸加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也降低了該處的應(yīng)力集中系數(shù)SCF[10]，從而提高整體連接的疲勞強度。螺紋尾部應(yīng)力釋放部分設(shè)計如圖12所示，這一設(shè)計通常較多地應(yīng)用在具有較大壁厚的加厚直連型扣中，圖12（c）雖然借鑒于螺栓螺紋的設(shè)計，也是一種可以具有較好抗疲勞性能的鋼管螺紋結(jié)構(gòu)。這一做法已成為機加工工業(yè)的普遍做法，連同滾壓螺紋關(guān)鍵齒來降低其應(yīng)力集中一起成為鉆鋌加工的關(guān)鍵工藝要求[17]。

圖12 螺紋尾部應(yīng)力釋放部分

3 國外主流疲勞特殊扣

V&M公司基于VAM TOP扣型設(shè)計了加強疲勞性能的VAM TOP FE系列產(chǎn)品，據(jù)其產(chǎn)品宣傳材料[36]介紹，按照DNV標(biāo)準(zhǔn)B1曲線在全尺寸評價試驗下具有SCF≤2，壓縮效率最大達到60%，能工作的最大狗腿度達到 30°/30.48 m（30°/100 ft）的特征參數(shù)。 類似于圖 6（a）的設(shè)計， 該扣的形貌如圖13所示。其他均為隔水管應(yīng)用而設(shè)計，SCF處于1.0~1.5之間，大多具有1.1的優(yōu)良性能值，尤其是外加厚直連型結(jié)構(gòu)的PDW 1和DPR扣型SCF較低，用于套管上帶接箍的TTR[29]扣型SCF值較低為1.5，這與前述的統(tǒng)計分析結(jié)論較為一致。

圖13 V&M公司抗疲勞螺紋接箍系列產(chǎn)品

在設(shè)計上，VAM TOP FE接箍外表面大圓弧過渡和LDR、TTR接箍外表面漸變坡度過渡設(shè)計都極大地降低了應(yīng)力集中，應(yīng)力釋放設(shè)計在直連型DPR扣螺紋公端上體現(xiàn)的較為明顯。罕見的是，外加厚直連型PDW 1設(shè)計應(yīng)用于大規(guī)格339.7 mm（13.375 in）特殊扣鋼管。這些具有良好抗疲勞性能的特殊扣產(chǎn)品，其共同特點是在母端或接箍外側(cè)有一個加強抗疲勞性能的抗彎曲槽設(shè)計，其中用于海洋隔水管的TTR、DPR和LDR特殊扣產(chǎn)品都是采用類似于API圓扣的三角形螺紋。

Tenaris公司的抗疲勞典型扣型設(shè)計[37]是基于其早期Blue系列，這一系列產(chǎn)品的特點是其拋物線型密封面設(shè)計，此設(shè)計在加強扣密封性能的同時，改善了抗粘扣性能。其產(chǎn)品主要應(yīng)用在深水鉆采、高溫高壓井、水平井和定向井、頁巖氣開發(fā)、套管鉆井、熱采井和地?zé)衢_發(fā)等環(huán)境。在Blue扣型的基礎(chǔ)上，Tenaris應(yīng)用了新開發(fā)的RArchTM設(shè)計，其接箍形式如圖14所示，這一設(shè)計特色是降低了母端FET（LET）疲勞載荷產(chǎn)生的應(yīng)力集中。而在螺紋齒面上，則是通過雙橢圓弧來降低應(yīng)力集中，這種雙弧結(jié)構(gòu)的原理尚不明朗。

圖14 Tenaris公司開發(fā)的抗疲勞螺紋形式

BlueDock系列目前是應(yīng)用于大規(guī)格466.7 mm（18.375 in）特殊扣鋼管，主要使用在超深水油氣鉆采中。這一設(shè)計是將公母端與管體通過焊接方式連接在一起，該產(chǎn)品由于采用粗牙螺紋而具有快速上扣的特點，同時雙臺階保證其壓縮效率達到100%，同樣也是雙弧面齒形螺紋，外加雙臺階保證其優(yōu)良抗疲勞性能。而另外基于偏梯扣型的Tenaris XP Buttress系列產(chǎn)品，增加了扭矩臺階設(shè)計，使其具有良好抗扭矩、抗壓縮和抗疲勞性能，且能與API標(biāo)準(zhǔn)偏梯扣互換，主要應(yīng)用在頁巖氣鉆井和套管鉆井中，規(guī)格范圍114.3~339.7 mm（4.5~13.375 in）， 狗腿度能達到 20°/30.48 m（20°/100 ft）。

所有這些抗疲勞特殊扣的設(shè)計，最終的檢驗應(yīng)該以S-N曲線為準(zhǔn)，來源于數(shù)值模擬結(jié)果的SCF可以做為參考。

4 試驗裝置

4.1 全尺寸試驗裝置

螺紋套管疲勞試驗是API 5C5及ISO 13679中未要求的試驗，國內(nèi)研究較為匱乏。目前文獻中查到的可用來評價帶螺紋套管疲勞強度的主要設(shè)備是全尺寸共振型試驗架，原理如圖15（a）所示。 圖15（b）為美國 Stress Engineering Service實驗室的基于共振原理的試驗臺架實物圖[3,20-21,29,38]。試驗時，測試樣品安裝在試驗臺上之后，末端平衡塊固定，以接近于樣品自然諧振頻率激勵載荷輸入電機，通過傳動桿將旋轉(zhuǎn)能量傳入加載端。其中，輔助支撐可以沿樣品軸向方向移動，樣品管內(nèi)通有帶壓液體（水），通過檢測其泄漏來識別樣品的疲勞破壞。

圖15 螺紋全尺寸疲勞試驗

文獻[29,39]和國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)[40]也設(shè)計了類似試驗架。文獻[1]設(shè)計了與上圖原理相同的試驗架，但測試規(guī)格較小，適用外徑范圍130～160 mm，試樣長度4 m，測試頻率30 Hz，激勵電機馬達功率5 kW。圖16為比利時Ghent大學(xué)Soete實驗室共振試驗架原理及動態(tài)加載效果。從圖 16（b）可看出，這套試驗臺架與圖15（a）所示原理一致，測試原理與材料疲勞Wholer試驗原理相近。這套設(shè)備的優(yōu)點是：①測試頻率可調(diào)；②可測試的鋼管規(guī)格比較大。但存在的缺陷是：①不能加載扭矩作為輸入載荷；②加載的是壓縮載荷，而不是拉伸載荷；③尚不能添加腐蝕環(huán)境。

圖16 共振試驗架原理及動態(tài)加載效果

4.2 中等尺寸試驗裝置

文獻[28]給出了四點彎曲型加載的中等尺寸的疲勞試驗臺架，如圖17所示。

圖17 螺紋中尺寸疲勞試驗臺架

這種結(jié)構(gòu)比較實用，測試頻率僅有1 Hz，結(jié)構(gòu)比較簡單，成本較為低廉，可以自行設(shè)計。Steve Tipton[41]基于20世紀(jì)90年代的Stewart和Stevenson疲勞試驗機原理，設(shè)計了一種T-Bird CT試驗機，如圖18所示。該試驗機可以用來測試小規(guī)格19~88.9 mm（0.75~3.5 in）連續(xù)管的疲勞問題，管內(nèi)壓力最大可以達到103.4 MPa（15 000 psi）。該試驗機較之前有重大改進：①通過閉環(huán)反饋的傳感器控制系統(tǒng)使管內(nèi)穩(wěn)壓性能得到較大改善；②計算機控制。其他有關(guān)連續(xù)管疲勞問題的研究[42]，也設(shè)計有專門測試整管疲勞性能的試驗裝置，由于連續(xù)尺寸規(guī)格較小，且不帶有螺紋連接，這里不再列出。

圖18 連續(xù)管疲勞試驗機

4.3 小尺寸試驗裝置

文獻[5]和[28]給出了 ESH 100 kN Universal小尺寸疲勞模擬試驗機，測試頻率15 Hz，如圖19所示。該試驗機測試原理與Medium Scale一致，都是通過液壓頭按照一定頻率將疲勞載荷加載在三點彎曲的測試結(jié)構(gòu)上，差別在試樣尺寸。這里的小尺寸不是指材料疲勞試驗所用的試樣尺寸。

圖19 小尺寸螺紋疲勞試驗機

針對圖17和圖19，由于試驗加載載荷受限，所以一般不能應(yīng)用于大直徑和高鋼級管材的疲勞試驗，因此大多文獻中試驗對象的鋼級較低，例如X52。除了全尺寸的試驗外，其他尺寸的試驗僅僅只是模擬了疲勞問題，存在著以下瑕疵和缺陷：①小尺寸試樣的結(jié)構(gòu)尺寸與帶螺紋連接的鋼管試樣差距較大，并不是簡單地等比例縮小，另外，API標(biāo)準(zhǔn)中，由于加工刀具的緣故，螺紋的尺寸與鋼管的規(guī)格尺寸（尤其是壁厚）之間并無明顯等比關(guān)系，這在Bertini的研究[1]中有提到；②螺紋本身的尺寸和加工精度不能等比例縮小，導(dǎo)致螺紋接觸處應(yīng)力分布的規(guī)律和文中敘述討論差距太大，且同樣大小的疲勞裂紋在不同尺寸的試樣中形成、擴展和分布規(guī)律不同；③疲勞極限與帶有螺紋連接的試樣整體尺寸大小的關(guān)系未知。因此，并不能簡單地用小尺寸試樣的疲勞試驗來類比甚至替代全尺寸試驗，基本上建議采用全尺寸模擬試驗來研究特殊扣疲勞問題。

5 S-N曲線

圖20 修正的古德曼圖及S-N曲線

通常情況下，對平均應(yīng)力敏感的疲勞極限都滿足修正的古德曼圖，如圖20（a）所示。對于脆性材料則適用于Gerber二次拋物線，而對于一般鋼材則近似于直線，該圖在設(shè)計時往往被采納。實際中，一般通過離散試驗點的Least Square擬合得出曲線，也有的直接采用線性擬合[29,39,41]。由于單個試驗點的試驗周期較長，且S-N曲線上試驗點的離散性太大，試驗樣品的制備和測試成本都較高，一般認(rèn)為測取完整S-N曲線是比較困難的。根據(jù)DNV CP 203[11]、BS 7608[12]和API RP 7G[13]標(biāo)準(zhǔn)，一般非焊接樣品（焊接區(qū)域為非目標(biāo)區(qū)域）取用低周疲勞區(qū)B1的試驗點來測取螺紋連接鋼管S-N曲線，從而外推疲勞極限，可達到97.7%的置信度，并且設(shè)計曲線與試驗曲線有差別。文獻[5]指出，BS 7608標(biāo)準(zhǔn)是基于牙型角為60°的螺紋，不再適用于特殊扣，尤其是特殊設(shè)計的齒型，并且標(biāo)準(zhǔn)中以200萬次作為疲勞壽命來測試疲勞極限時間較長，且根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)所作的疲勞設(shè)計偏于保守。大部分實際試驗的測試壓力比較低，例如按照API 5L標(biāo)準(zhǔn)B級鋼管進行的疲勞試驗。通常的做法是采用樣品管體材料的極限抗拉強度（UTS）的35%作為試驗用均值壓力（需要強調(diào)的是這里說的是抗拉強度而不是屈服強度），而在產(chǎn)品設(shè)計中按照5%~20%UTS的區(qū)間來作為S-N曲線的均值疲勞載荷，文獻[3]認(rèn)為這種做法具有97.5%的工業(yè)置信度。圖20（b）對比了幾種扣型鋼管的實際疲勞曲線。

由于前述的累積效應(yīng)，這里的S-N曲線也可以看作是疲勞破壞的演變曲線，尤其是處于低周疲勞區(qū)的下降部分曲線，文獻[5]中針對這個累積效應(yīng)和演變規(guī)律進行了闡述。一般情況下，這里的S-N曲線滿足Basquin關(guān)系[8]。

Wittenberghe教授在他的博士論文[43]中對特殊扣鋼管的疲勞問題做了非常詳盡的研究。

6 結(jié) 論

（1）影響螺紋結(jié)構(gòu)套管疲勞強度的最主要因素是應(yīng)力集中系數(shù)（SCF），結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)盡量采用圓滑過渡來降低SCF，母端外側(cè)應(yīng)考慮抗彎曲機構(gòu)。

（2）螺紋結(jié)構(gòu)往往在公端最后一圈螺紋LET處應(yīng)力最大，應(yīng)力集中系數(shù)也較大。

（3）降低母端壁厚是降低剛度、提高抗疲勞性能的一個途徑。

（4）通過提高螺紋結(jié)構(gòu)的加工精度和光潔度來提高疲勞強度，并在設(shè)計上盡量考慮應(yīng)力釋放部分以及去除殘余應(yīng)力工藝的使用。

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Fatigue Theory，Tests and Application of Premium Thread Steel Pipes

JIANG Yong，WANG Chunhui， Li Pengchong
（China Petroleum Pipeline Material and Equipment Co.，Ltd.，Langfang065000，Hebei，China）

In order to promote the further improvement of the anti-fatigue performance of premium thread steel pipe，in this article，the fatigue performance of pipe body material was researched，as well as the fatigue and design of threaded connections.The main reason of fatigue of premium thread steel pipe was analyzed.Take anti-fatigue premium thread products of French V&M company and Argentine Tenaris company for instance，the influence of frictional coefficient，pitch,taper and stress releasing structure on fatigue at design time were expounded，the basic issues of fatigue test machine andS-Ncurve measure were introduced，and the test principles of resonance full-scale test apparatus of fatigue evaluation were focused on.According to the research results，the major factor influencing thread casing fatigue strength was stress concentration factor（SCF） which had a larger value in LET of pin with the maximum stress.Therefore，smooth transition was used to reduceSCFin thread casing structure design，resistance to deflection structure should be considered outside female ends；wall thickness of female ends should be reduced，machining accuracy of thread structure should be improved，stress releasing and residual stress removal should be used to improve the fatigue performance of premium connection of steel pipe.

premium thread； steel pipe； fatigue； stress concentration； LET；S-Ncurve

TE931.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.001

江 勇（1980—），男，湖北蘄春人，工程師，主要從事油井管采購和研究工作。

2017-04-07

黃蔚莉