G3耐蝕合金油管特殊螺紋接頭TP-G2的設(shè)計與開發(fā)*

史 彬，周曉鋒

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

世界上約1/3的油氣田中都含有H2S、CO2氣體。我國油氣資源的主產(chǎn)區(qū)如川渝地區(qū)、塔里木盆地均含H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)，對耐蝕合金管材需求量大［1-5］。由于高含硫油氣田埋藏深，普遍存在高溫、高壓、高腐蝕（三高）環(huán)境，油套管接頭處要經(jīng)受拉伸、壓縮、彎曲、內(nèi)外高壓、高溫-低溫等交變載荷，API標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭無法滿足使用要求，必須使用可靠性高的油井管特殊螺紋接頭產(chǎn)品［6-11］。

2010年之前，我國耐蝕合金油管特殊螺紋的生產(chǎn)尚處于空白階段，完全依靠進(jìn)口；而國際上此類產(chǎn)品的缺口較大，且供貨周期較長。高端油管產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口對我國能源戰(zhàn)略的安全性造成了一定的威脅。因此，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡稱天津鋼管）結(jié)合三高氣田的使用要求，研制出G3耐蝕合金油管特殊螺紋接頭TP-G2。這里將介紹開采中最常用規(guī)格G3耐蝕合金125鋼級Φ88.9 mm×6.45 mm油管TP-G2螺紋的開發(fā)應(yīng)用情況。

1 設(shè)計要點

眾所周知，符合API標(biāo)準(zhǔn)的油套管連接形式在管柱結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性方面都存在一定的問題。目前，國內(nèi)外已有30多家著名的油套管制造廠開發(fā)了200多種享有專利權(quán)的特殊螺紋接頭，這些產(chǎn)品以其可靠的氣密封性能、較高的連接強(qiáng)度、良好的抗螺紋黏結(jié)性能受到油田的普遍歡迎。這些接頭都能在碳鋼材質(zhì)上應(yīng)用良好，但普遍不適用于高溫、高壓、高腐蝕環(huán)境下使用的耐蝕合金材質(zhì)。由于耐蝕合金材質(zhì)的特殊性，其表面摩擦機(jī)理不同于碳鋼特殊螺紋產(chǎn)品，應(yīng)力的集中很容易產(chǎn)生螺紋及密封面的螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，無法正常使用，并且普通油管特殊螺紋接頭的抗過扭、抗壓縮、抗彎曲能力普遍較低，不適用于三高井況。

G3耐蝕合金油管特殊螺紋接頭TP-G2的設(shè)計從以下4個方面展開。

1.1 螺紋齒形的設(shè)計

偏梯形螺紋具有很高的連接強(qiáng)度。TP-G2采用了負(fù)角度偏梯形螺紋設(shè)計，其負(fù)角度承載側(cè)的作用是：在擰接后接頭受到拉伸載荷、彎曲載荷時，承載側(cè)面上的分力能顯著降低內(nèi)外螺紋端徑向分離的趨勢，提高接頭的連接性能和抗彎曲能力。

與API偏梯形螺紋的內(nèi)外螺紋等齒高設(shè)計不同，TP-G2的內(nèi)螺紋齒高略高于外螺紋。如果內(nèi)外螺紋等齒高，由于螺紋脂在接頭中堆積，會增加接箍外表面環(huán)向張應(yīng)力，還會使密封面接觸壓力降低和不穩(wěn)定；因此，內(nèi)外螺紋的不等高設(shè)計可以消除螺紋脂堆積的不利影響，并且降低螺紋發(fā)生黏結(jié)的可能性。

TP-G2合理的齒側(cè)間隙設(shè)計能保證在不發(fā)生螺紋黏結(jié)的基礎(chǔ)上，提高接頭的抗壓縮能力。

TP-G2的大角度導(dǎo)入側(cè)設(shè)計，便于對扣、引扣，且不易錯扣，方便油田現(xiàn)場操作。G3耐蝕合金油管TP-G2特殊螺紋和API偏梯形螺紋齒形比較見表1，TP-G2特殊螺紋的齒型如圖1所示。

表1 G3 TP-G2特殊螺紋和API偏梯形螺紋齒形比較

1.2 密封面的設(shè)計

特殊螺紋接頭通常采用金屬-金屬密封的形式，其密封機(jī)理是：通過尺寸過盈在接觸面上產(chǎn)生一定的接觸長度和接觸壓力，管內(nèi)壁的氣體分子無法通過具有接觸壓力的金屬密封面溢出，從而實現(xiàn)氣密封。TP-G2的密封采用錐-錐金屬密封的形式，由于耐蝕合金材質(zhì)的特殊性，密封面的錐度和過盈量是關(guān)鍵，合理的密封面錐度和過盈量的配合在保證優(yōu)異的氣密封能力的同時，可確保反復(fù)擰接也不發(fā)生螺紋黏結(jié)。通過大量的實物評價試驗和有限元計算，確定了適合G3耐蝕合金材質(zhì)的特殊螺紋最佳的密封面角度和合理的密封過盈量，保證TP-G2在復(fù)合載荷下具有最佳的密封面接觸長度和密封面接觸壓力，從而擁有優(yōu)異密封能力。

為了保證外螺紋端部密封面的厚度，在外螺紋端還需要進(jìn)行一定的收口處理，收口量低于3%。在收口后需要進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。

圖1 G3耐蝕合金油管TP-G2特殊螺紋的齒型示意

1.3 扭矩臺肩的設(shè)計

TP-G2的接箍中部的負(fù)角度扭矩臺肩作用為：提供準(zhǔn)確的擰接定位，防止錐形密封面因過量的擰接產(chǎn)生超過預(yù)期的過盈；在擰接圖形上產(chǎn)生擰接到位指示，接頭按設(shè)定的上扣扭矩擰接，外螺紋端鼻端和內(nèi)螺紋端扭矩臺肩對頂，在扭矩-圈數(shù)擰接圖形上產(chǎn)生扭矩的劇增；負(fù)角度的扭矩臺肩對密封面有支撐作用，增強(qiáng)密封面氣密封能力；合理的扭矩臺肩高度受到過扭矩時，能保證結(jié)構(gòu)完整性。

1.4 表面處理工藝

與普通碳鋼油管相比，G3耐蝕合金油管沖擊韌性好，但導(dǎo)熱性差，材料的螺紋黏結(jié)敏感性較高；因此，螺紋表面需采用特殊的表面處理工藝以解決螺紋黏結(jié)問題，滿足油田的反復(fù)使用要求。對TP-G2外螺紋端表面采取噴砂處理，并對噴砂的速度、距離以及砂粒大小進(jìn)行嚴(yán)格把控，以提高螺紋和密封面表面的硬度，對TP-G2內(nèi)螺紋端采用鍍銅處理，控制鍍層的厚度。使內(nèi)外螺紋表面硬度差異增大，降低擰接時兩表面之間的摩擦因數(shù)，從而提高接頭的抗螺紋黏結(jié)性能。

2 有限元分析

為了判斷分析油管接頭在各種工況下的力學(xué)特性，對G3耐蝕合金TP-G2油管特殊螺紋進(jìn)行了有限元分析和設(shè)計評估，為后續(xù)的試驗和安全使用提供科學(xué)詳細(xì)的論據(jù)。分析對象：G3合金125鋼級Φ88.9 mm×6.45 mm TP-G2接頭。

根據(jù)套管接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點，建立軸對稱有限元模型，接頭的材質(zhì)視為均勻的各向同性體，并帶入G3合金125鋼級的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，網(wǎng)格采用軸對稱四邊形網(wǎng)格，按照ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》CALⅣA系列進(jìn)行分析，即常溫下軸向拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓對接頭模型進(jìn)行加載，G3耐蝕合金油管TP-G2特殊螺紋有限元分析的工況載荷見表2和如圖2所示，可見，載荷值均位于95%管體VME曲線上。

表2 G3耐蝕合金油管TP-G2特殊螺紋有限元分析的工況載荷

圖2 G3耐蝕合金油管TP-G2特殊螺紋有限元分析的工況載荷包絡(luò)線

TP-G2在上扣后的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。TP-G2特殊螺紋的等效應(yīng)力較低，在100 MPa以下；密封部分等效應(yīng)力略高，但低于接頭的屈服強(qiáng)度。

圖3 TP-G2在上扣后的等效應(yīng)力云圖

TP-G2在T95 I95V載荷（圖2所示3）下的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。外螺紋端不完整螺紋和內(nèi)螺紋端接近密封部分的退刀區(qū)附近等效應(yīng)力較高，接近材料的屈服強(qiáng)度。

TP-G2在C60 I95V載荷（圖2所示9）下的等效應(yīng)力云圖如圖5所示。臺肩處及內(nèi)螺紋的導(dǎo)入側(cè)等效應(yīng)力水平較高，說明螺紋齒側(cè)間隙的設(shè)計合理，在接頭受到軸向壓縮時，螺紋的導(dǎo)入側(cè)起到了分擔(dān)壓縮載荷的作用。

圖4 TP-G2在T95 I95V載荷下的等效應(yīng)力云圖

圖5 TP-G2在C60 I95V載荷下的等效應(yīng)力云圖

TP-G2在C30 E100載荷（圖2所示12）下的等效應(yīng)力云圖如圖6所示。由于壓縮載荷比較小，此時的壓縮載荷基本由外螺紋端臺肩和密封面承擔(dān)。由于外壓載荷的作用，內(nèi)螺紋端僅在端部的等效應(yīng)力較高，其余位置應(yīng)力分布比較均勻。

圖6 TP-G2在C30 E100載荷下的等效應(yīng)力云圖

TP-G2在T67 E100載荷（圖2所示15）下的等效應(yīng)力云圖如圖7所示。等效應(yīng)力較高的位置是外螺紋密封面處和外螺紋的不完整螺紋處。

圖7 TP-G2在T67 E100載荷下的等效應(yīng)力云圖

常用密封面的密封指數(shù)評估特殊螺紋接頭的密封性能［12-14］。密封指數(shù)S計算公式為：

式中 σ——密封面接觸壓力，MPa；

L——密封面接觸長度，mm；

F——密封面法向壓力，MPa；

r——節(jié)點半徑，mm；

l——網(wǎng)格長度，mm。

由公式（1）可知，該密封指數(shù)與密封面接觸壓力和接觸長度有關(guān)。通常認(rèn)為，當(dāng)密封指數(shù)高于2.0時，接頭具有比較可靠的密封能力。TP-G2在各個載荷下的密封指數(shù)如圖8所示。在TP-G2受到內(nèi)壓載荷下，當(dāng)軸向載荷由拉伸逐步轉(zhuǎn)化為壓縮，密封指數(shù)逐步增加；在TP-G2受到外壓載荷，當(dāng)軸向載荷由壓縮逐步轉(zhuǎn)化為拉伸，密封指數(shù)逐步降低。密封指數(shù)的最小值為T67 E100載荷時，高于2.0，可見TP-G2具有較高的密封可靠性。

圖8 TP-G2在各個載荷下的密封指數(shù)

3 全尺寸實物試驗

全尺寸實物性能試驗是檢驗特殊螺紋接頭設(shè)計開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。G3耐蝕合金油管特殊螺紋接頭TP-G2在第三方評價實驗室，按照ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡ進(jìn)行全尺寸實物試驗，試樣共4個，都需要進(jìn)行上卸扣試驗、B系試驗、C系試驗。試驗規(guī)格為125鋼級Φ88.90 mm×6.45 mm G3耐蝕合金TP-G2特殊螺紋油管。首先進(jìn)行上卸扣試驗，按照ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行10次上扣9次卸扣后，再進(jìn)行后續(xù)評價試驗。

3.1 CALⅡB系試驗

在試驗前，先采用陶瓷加熱帶加熱試樣接頭，烘干溫度≥180℃，烘干時間≥12 h。試驗加載的載荷值位于材料實際屈服強(qiáng)度的95%VME包絡(luò)線上。試驗溫度為室溫，泄漏檢測裝置使用氣泡瓶檢漏系統(tǒng)，用應(yīng)變法測量彎曲度，狗腿度為0.656°/m（20°/30.48 m）。ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡ B系試驗加載點數(shù)據(jù)見表3。試驗順利通過，未發(fā)生泄漏。

表3 ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡB系試驗加載點數(shù)據(jù)

3.2 CAL II C系試驗

ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡ C系試驗加載點數(shù)據(jù)見表4。C系試驗是接頭的拉伸、內(nèi)壓、熱循環(huán)試驗，在試驗過程中，內(nèi)壓加壓介質(zhì)為干燥氮氣，泄漏檢測裝置為氣泡瓶檢漏系統(tǒng)。采用陶瓷片加熱接箍和附近管體，溫度檢測由熱電偶完成，在常溫和高溫下分別有5個內(nèi)壓-拉伸循環(huán)。試驗順利通過，未發(fā)生泄漏。

3.3 極限載荷試驗

極限加載試驗是為了驗證接頭的結(jié)構(gòu)和密封的極限性能。極限載荷試驗對驗證接頭超過VME包絡(luò)線后的性能指標(biāo)非常重要。4個試樣的極限載荷加載路徑及失效載荷如圖9所示。極限載荷試驗結(jié)果表明，試樣的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、接頭連接性能均超過該鋼級/規(guī)格油管使用性能保證值的要求。復(fù)合載荷下的極限強(qiáng)度，如拉伸下的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、高內(nèi)壓下的抗拉強(qiáng)度、內(nèi)壓下的抗壓縮強(qiáng)度等，均超過按實際屈服強(qiáng)度計算的承載包絡(luò)線。

表4 ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡC系試驗加載點數(shù)據(jù)

圖9 4個試樣的極限載荷加載路徑及失效載荷

4 應(yīng)用情況

2011年 4月，Φ88.9 mm×6.45 mm和 Φ88.9 mm×9.52 mm兩個規(guī)格TP-G2特殊螺紋G3耐蝕合金油管首次在某油田區(qū)塊下井使用。下井深度為6 961 m，H2S分壓 5.0 MPa，CO2分壓 10.0 MPa，單質(zhì)硫3 g/L，pH值3，井底溫度160℃，井口壓力65 MPa，服役至今未出現(xiàn)任何問題。

5 結(jié) 語

TP-G2是天津鋼管針對高溫、高壓、高腐蝕井況開發(fā)的一種適用于耐蝕合金材質(zhì)的特殊螺紋接頭，采用合理的齒形設(shè)計、密封設(shè)計、臺肩設(shè)計及獨特的表面處理技術(shù)，具有良好的抗螺紋黏結(jié)性能和密封性、較大的抗彎曲能力及較高的抗壓縮能力。通過有限元分析和實物評價試驗一致證明了TP-G2接頭的使用可靠性。截至目前，耐蝕合金油管特殊螺紋TP-G2在國內(nèi)陸地和海上油田的三高氣田廣泛應(yīng)用，可滿足國內(nèi)油田對三高井勘探開發(fā)的需求，得到了用戶的廣泛認(rèn)可。