基于API RP 5C5：2017 標(biāo)準(zhǔn)的特殊螺紋接頭密封性能評(píng)價(jià)研究

唐家睿， 徐 凱， 周新義， 汪 強(qiáng)，楊曉龍， 彭建軍， 蘭增林

（1. 國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008）

1 概 述

油管柱和套管柱是油套管通過螺紋連接在一起， 能承受高溫、 高壓、 拉伸、 壓縮、 彎曲等載荷， 長(zhǎng)度達(dá)幾千米到一萬米的專用采輸系統(tǒng)[1]。 隨著深井、 超深井、 高壓油氣井、 稠油熱采井、 重腐蝕井、 定向井等的開采， 對(duì)石油套管提出了越來越苛刻的技術(shù)要求。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 接頭部位是整個(gè)管柱最薄弱的環(huán)節(jié)[2]， 因此， 接頭性能直接決定了石油套管產(chǎn)品乃至整個(gè)管柱的性能[3]。

特殊螺紋接頭突破了API 接頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的框架， 一般具有連接強(qiáng)度高、 密封性能好等優(yōu)點(diǎn)， 較好地解決了油套管接頭的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性問題， 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[4]。 2017年發(fā)布的API RP 5C5： 2017 《套管和油管接頭試驗(yàn)程序推薦作法》[5]規(guī)定了石油天然氣工業(yè)用套管及油管螺紋連接必要的驗(yàn)證試驗(yàn)方法及接收準(zhǔn)則， 所規(guī)定的試驗(yàn)是設(shè)計(jì)驗(yàn)證程序的一部分，并可以為驗(yàn)證螺紋連接的試驗(yàn)載荷包絡(luò)線和極限載荷與制造廠的聲明是否一致提供客觀證據(jù)[6]。API SPEC 5CT[7]及API SPEC 5B[8]是油套管制造的主要標(biāo)準(zhǔn)， 也是油套管訂貨、 驗(yàn)收、 使用的主要依據(jù)， 但是在實(shí)際的訂貨、 驗(yàn)收、 使用過程中仍有很多問題無法解決， 如油套管的使用性能（連接強(qiáng)度、 密封性能、 抗螺紋黏結(jié)性能）。 因此，有必要配合API RP 5C5： 2017 和ISO 13679：2002[9]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所選用的油套管進(jìn)行評(píng)價(jià)， 進(jìn)而選擇適合工況的油套管[10]。

2017 年1 月， API RP 5C5 第4 版 正 式 發(fā)布， 其與ISO 13679： 2002 標(biāo)準(zhǔn)的不同主要在于： ①試樣越來越少， 由ISO13679： 2002 的8根減少到API 5C5： 2017 的5 根； ②試樣接頭的加工要求越來越嚴(yán)格、 科學(xué)， 對(duì)錐度、 密封面和螺紋中徑的要求越來越高， 更多考慮到生產(chǎn)加工中的小概率事件； ③試樣項(xiàng)目類型越來越少， 但越來越復(fù)雜； ④試驗(yàn)內(nèi)容越來越接近工況， 可參考價(jià)值越來越強(qiáng)； ⑤試驗(yàn)周期越來越長(zhǎng)， 對(duì)一根試樣的考驗(yàn)更加嚴(yán)苛。

本研究以Φ139.7 mm×12.7 mm 規(guī)格的Q125鋼級(jí)某特殊螺紋接頭為分析對(duì)象， 基于API RP 5C5： 2017 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序進(jìn)行實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)，來評(píng)價(jià)特殊螺紋接頭的密封性能。

2 基于API 5C5：2017 標(biāo)準(zhǔn)的特殊螺紋接頭密封性能

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)API 5C5： 2017 CAL IV 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所選取的特殊螺紋極限樣進(jìn)行實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)。 實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)?zāi)康摹?條件和結(jié)果見表1， 檢驗(yàn)項(xiàng)目見表2。 其中， 1#和2#極限樣屬于密封低過盈樣， 且上扣扭矩最小， 最容易在復(fù)合加載試驗(yàn)中發(fā)生泄漏； 3#極限樣屬于密封高過盈樣， 且上扣扭矩最大， 最容易在上卸扣試驗(yàn)中發(fā)生粘扣。

全尺寸評(píng)價(jià)試驗(yàn)極限樣及材料樣取樣如圖1所示， 其中， MT 為材料樣短節(jié)， 材料樣應(yīng)在相應(yīng)極限樣附近取樣。

表1 全尺寸評(píng)價(jià)試驗(yàn)?zāi)康?、條件及結(jié)果

表2 全尺寸評(píng)價(jià)試驗(yàn)試樣編號(hào)及檢驗(yàn)項(xiàng)目

圖1 全尺寸評(píng)價(jià)試驗(yàn)極限樣及材料樣取樣分布

2.2 特殊螺紋接頭上卸扣性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

在接箍極限樣磷化前依據(jù)API RP 5C5： 2017使用中徑規(guī)、 密封直徑規(guī)等對(duì)外螺紋接頭與內(nèi)螺紋接頭螺紋參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)， 結(jié)果見表3 和表4。

表3 外螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果

表4 內(nèi)螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)API RP 5C5： 2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)5 根極限樣進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。 上扣扭矩及臺(tái)肩扭矩結(jié)果如圖2所示。 極限樣臺(tái)肩扭矩與上扣扭矩的比值為0.24～0.78。 其 中， 1#、 2#、 4#試 樣 的 比 值 比 較低， 4#試樣的比值最低。 這主要是由于4#試樣螺紋及密封過盈量最小。 3#、 5#試樣的比值比較高， 5#試樣的比值最高， 這主要是由于5#試樣螺紋及密封過盈量最大。 1#極限樣上卸扣曲線及3#極限樣上卸扣后形貌如圖3 所示。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 試樣1#、 3#、 4#和5#經(jīng)過上卸扣試驗(yàn)均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象， 符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 試樣上扣扭矩及臺(tái)肩扭矩結(jié)果

圖3 1#極限樣上卸扣曲線及3#極限樣上卸扣后形貌

2.3 特殊螺紋接頭復(fù)合加載試驗(yàn)

復(fù)合加載試驗(yàn)的主要目的根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況， 模擬不同的使用環(huán)境 （水、 氣、 升溫等）， 對(duì)油套管施加復(fù)合載荷 （拉伸、 壓縮、 彎曲、 內(nèi)壓、 外壓等） 進(jìn)行油套管的全尺寸檢測(cè)試驗(yàn)， 完成API RP 5C5、 ISO 13679 等標(biāo)準(zhǔn)要求的油套管實(shí)物性能試驗(yàn)， 為油井管生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品研發(fā)提供技術(shù)支持。 API RP 5C5： 2017 CAL IV標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)1#～4#極限樣進(jìn)行復(fù)合加載試驗(yàn)。 復(fù)合加載試驗(yàn)先后要進(jìn)行B 系、 C 系、 A 系試驗(yàn)， 試驗(yàn)裝置如圖4 所示， 包絡(luò)線及載荷點(diǎn)如圖5 所示。

圖4 復(fù)合加載試驗(yàn)裝置照片

圖5 復(fù)合加載試驗(yàn)包絡(luò)線及載荷點(diǎn)示意圖

由于API 5C5： 2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)過程中每根試樣要進(jìn)行260 多個(gè)載荷點(diǎn)、 500 多個(gè)試驗(yàn)過程步的試驗(yàn)評(píng)價(jià)。 這里僅以1#試樣的主要載荷點(diǎn)為例進(jìn)行闡述。 1#極限樣的載荷譜計(jì)算參數(shù)見表5， 1#試驗(yàn)CAL IV 級(jí)試驗(yàn)評(píng)價(jià)載荷見表6。 其中， Ktemp為試樣高溫 （195 ℃） 實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度與常溫實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度的比值。

通過試驗(yàn)觀察， 在整個(gè)復(fù)合加載過程中，1#～4#極限樣在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象， 符合API RP 5C5： 2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 1#極限樣的載荷譜計(jì)算參數(shù)

表6 1#試樣CAL IV 級(jí)試驗(yàn)評(píng)價(jià)載荷（室溫下進(jìn)行試驗(yàn)）

2.4 特殊螺紋接頭極限載荷試驗(yàn)

依據(jù)API RP 5C5： 2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1#～5#極限樣分別進(jìn)行極限載荷試驗(yàn)。 試驗(yàn)條件及結(jié)果見表7。 1#極限樣極限載荷曲線及5#試樣拉伸至失效圖片如圖6 和圖7 所示。 結(jié)果表明， 1#～5#極限樣在試驗(yàn)過程中的保載點(diǎn)或失效點(diǎn)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求的極限載荷， 符合API RP 5C5： 2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 極限樣極限載荷試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

圖7 5#試樣拉伸至失效照片

3 結(jié) 論

（1） API RP 5C5： 2017 標(biāo) 準(zhǔn) 與ISO13679：2002 標(biāo)準(zhǔn)的不同主要在于試樣越來越少， 試樣接頭的加工要求越來越嚴(yán)格、 科學(xué)； 試樣項(xiàng)目類型越來越少， 但越來越復(fù)雜； 試驗(yàn)內(nèi)容越來越接近工況， 可參考價(jià)值越來越強(qiáng)； 試驗(yàn)周期越來越長(zhǎng)， 對(duì)一根試樣的考驗(yàn)更加嚴(yán)鉻。

（2） 試樣1#、 3#、 4#和5#經(jīng)過上卸扣試驗(yàn)均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象， 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 極限樣臺(tái)肩扭矩與上扣扭矩的比值為0.24～0.78。 其中， 1#、2#、 4#試樣的比值較低， 4#試樣的比值最低。 這主要是由于4#試樣螺紋及密封過盈量最小。 3#、5#試樣的比值比較高， 5#試樣的比值最高， 這主要是由于5#試樣螺紋及密封過盈量最大。

（3） 試樣1#～5#經(jīng)過上卸扣試驗(yàn)均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象， 在整個(gè)復(fù)合加載試驗(yàn)過程中， 1#～4#極限樣在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象；1#～5#極限樣在試驗(yàn)過程中的保載點(diǎn)或失效點(diǎn)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求的極限載荷， 滿足API RP 5C5：2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)要求。