非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋連接強(qiáng)度的推薦計(jì)算方法

呂春莉，黃永智，楊騰飛

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

在API SPEC 5B 標(biāo)準(zhǔn)比較老的版本中（1996-第14 版）說(shuō)明了偏梯形螺紋是在1955 年前后由美國(guó)鋼鐵公司貢獻(xiàn)給API 的（API 是美國(guó)石油協(xié)會(huì)的簡(jiǎn)稱），偏梯形螺紋（Buttress Thread）標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)是“BC”[1]。API 有著悠久的歷史和完善的技術(shù)體系，與套管和油管關(guān)系密切的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范有API SPEC 5B和API TR 5C3。API SPEC 5B 標(biāo)準(zhǔn)給出了所有API規(guī)格套管和油管的螺紋幾何參數(shù)。API TR 5C3 規(guī)范則給出了這些套管和油管使用性能的計(jì)算公式。隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，API 標(biāo)準(zhǔn)中列出的規(guī)格顯得不能滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用了，市場(chǎng)出現(xiàn)了一些有需求而又不在API 標(biāo)準(zhǔn)之列的特殊規(guī)格，即非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋套管和油管，例如常見(jiàn)的200.03 mm、250.83 mm、346.08 mm 等等。

對(duì)于非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋套管和油管的制造，我們面臨兩個(gè)問(wèn)題：一是螺紋幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)，然后做出這些特殊規(guī)格的螺紋。二是計(jì)算螺紋連接強(qiáng)度，給用戶一個(gè)使用性能的可靠保證值。本文不討論第一個(gè)問(wèn)題，只對(duì)第二個(gè)問(wèn)題提出思考和一些建議。

對(duì)于非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋的連接強(qiáng)度，是否依然采用API TR 5C3 公式計(jì)算方法？還是需要采用其它優(yōu)化計(jì)算方法？以便更好的保證非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋的強(qiáng)度指標(biāo)和成功下井應(yīng)用。在這里，作者把對(duì)于非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格偏梯形螺紋連接、使用性能計(jì)算中最重要的連接強(qiáng)度計(jì)算的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)寫(xiě)出來(lái)，供讀者參考。

1 API 標(biāo)準(zhǔn)BC 螺紋連接強(qiáng)度的計(jì)算方法簡(jiǎn)要解析

圖1 為BC 螺紋機(jī)緊位置和齒形放大圖。圖中，D：管子外徑；t：管子名義壁厚；W：接箍外徑；d1 ：機(jī)械上緊位置的管端接箍螺紋根部直徑；f：軸向載荷。

圖1 BC 偏梯螺紋機(jī)緊位置和齒形放大圖

從圖1 可以看出，管子受到的軸向載荷是通過(guò)接箍傳遞給另一支管子的，而管子與接箍之間依靠螺紋連接。這種螺旋狀的齒兩側(cè)不對(duì)稱。在鉆井每一開(kāi)次完成垂直下入套管時(shí)，承受載荷的一側(cè)（承載側(cè)）與徑向成3°角，另一側(cè)（導(dǎo)入側(cè)）與徑向成10°角，齒形好像是一個(gè)偏著的梯子，因此而得名偏梯螺紋（BC）。

在API TR 5C3 中，給出2 個(gè)公式，取管子螺紋強(qiáng)度和接箍斷裂強(qiáng)度的最小值作為BC 螺紋的連接強(qiáng)度。而接箍的斷裂強(qiáng)度計(jì)算是考慮機(jī)緊上緊位置的管端接箍螺紋根部直徑這一因素。API TR 5C3 給出的BC 螺紋的連接強(qiáng)度計(jì)算如下所示[2]：

（1）管子螺紋強(qiáng)度：Pj=0.95Ap fumnp[1.008-0.0396(1.083-fymnp/fumnp)D]

（2）接箍斷裂強(qiáng)度：Pj=0.95Ajcfumnc

其中，系數(shù)0.95 來(lái)源于多次回歸方程式的統(tǒng)計(jì)誤差，為調(diào)整允許使用最低性能要求以替代一般要求性能。公式（1）來(lái)源于1970 年代的151 次試驗(yàn)得出的公式，是用數(shù)學(xué)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的，屬于經(jīng)驗(yàn)公式。公式（2）就是接箍的危險(xiǎn)截面乘以材料的抗拉強(qiáng)度，顯而易見(jiàn)這是最大的承載能力了。這兩個(gè)公式早在1974 年API TR 5C3 中被發(fā)布。

隨著油田井況越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越多的非API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的油套管有市場(chǎng)需求。我們對(duì)螺紋連接強(qiáng)度的計(jì)算方法也有了新的認(rèn)識(shí)，筆者個(gè)人認(rèn)為現(xiàn)有的公式雖被廣泛使用，但還是存在一定的缺欠。取管子螺紋連接強(qiáng)度和接箍斷裂強(qiáng)度的最小值作為BC 螺紋連接強(qiáng)度，還是不足夠嚴(yán)密。

2 非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋連接強(qiáng)度的推薦計(jì)算方法

由于非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋幾何參數(shù)，遵循API SPEC 5B 設(shè)計(jì)規(guī)律和設(shè)計(jì)原則，所以其螺紋連接強(qiáng)度的計(jì)算，可以直接采用API TR 5C3 公式。螺紋接頭連接強(qiáng)度是對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)完整性的考量，是石油套管應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。所以筆者認(rèn)為，對(duì)于螺紋連接強(qiáng)度的計(jì)算，還需要再考慮危險(xiǎn)截面積處的屈服強(qiáng)度。所以，綜合如下：

（1）管子螺紋強(qiáng)度：Pj=0.95Ap fumnp[1.008-0.0396(1.083-fymnp/fumnp)D]

（2）接箍斷裂強(qiáng)度：Pj=0.95Ajcfumnc

（3）管體屈服強(qiáng)度（使管子屈服所需的軸向載荷）：Py=Ap×Yp

（4）管子危險(xiǎn)截面屈服強(qiáng)度（管子危險(xiǎn)截面處屈服所需的軸向載荷）：Pcs=Ac-pin×Yp

我們知道，對(duì)于偏梯螺紋來(lái)說(shuō)，螺紋加工采用自然退刀方式，所以管子危險(xiǎn)截面屈服強(qiáng)度等同于管體屈服強(qiáng)度。

（5）接箍危險(xiǎn)截面屈服強(qiáng)度（接箍危險(xiǎn)截面處屈服所需的軸向載荷）：Pcs=Ac-box×Yp

取以上5 個(gè)公式計(jì)算的最小值，作為非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格BC 螺紋的連接強(qiáng)度。

以上所有公式中，除了在API TR 5C3 中給出符號(hào)說(shuō)明，其它符號(hào)為Py：管體屈服強(qiáng)度；Ap ：管體的橫截面積；Yp：規(guī)定的管子最小屈服強(qiáng)度；Pcs：危險(xiǎn)截面屈服強(qiáng)度；Ac-pin：管子的危險(xiǎn)截面積；Ac-box：接箍的危險(xiǎn)截面積。

3 舉例對(duì)比分析

舉例國(guó)內(nèi)油田需求的常用非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的套管產(chǎn)品200.03 mm BC、250.83 mm BC 和346.08 mm BC，分別采用API TR 5C3 標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法和筆者推薦的計(jì)算方法，對(duì)螺紋連接強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。不同非標(biāo)規(guī)格BC 螺紋采用不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2，相同外徑不同壁厚的非標(biāo)規(guī)格BC螺紋采用不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖2 不同非標(biāo)規(guī)格BC 偏梯螺紋采用不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖2 可以看出：當(dāng)采用不同計(jì)算方法時(shí)，隨著鋼級(jí)強(qiáng)度的減小，非標(biāo)規(guī)格BC 螺紋連接強(qiáng)度的對(duì)比影響越來(lái)越大。隨著規(guī)格的減小，非標(biāo)規(guī)格BC螺紋連接強(qiáng)度的對(duì)比影響增加。相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)大規(guī)格高鋼級(jí)的套管影響很小，但對(duì)于小規(guī)格低鋼級(jí)的套管影響較大。

由圖3 可以看出：當(dāng)采用不同計(jì)算方法時(shí)，針對(duì)相同的管子外徑，隨著壁厚的增加，非標(biāo)規(guī)格BC偏梯螺紋連接強(qiáng)度的對(duì)比影響增加。

圖3 相同外徑不同壁厚的非標(biāo)規(guī)格BC 偏梯螺紋采用不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)舉例對(duì)比，可見(jiàn)采用筆者推薦的計(jì)算方法，螺紋連接強(qiáng)度更為可靠、安全。需要提醒的是，在計(jì)算BC 螺紋連接強(qiáng)度時(shí)，考慮到公式中的一些因子最初是以USC 單位導(dǎo)出，所以無(wú)論用何種方法代入公式計(jì)算時(shí)，建議首先用美國(guó)慣用單位USC 進(jìn)行計(jì)算，然后再轉(zhuǎn)換成國(guó)際單位SI 進(jìn)行使用。這樣，有利于BC 螺紋連接強(qiáng)度數(shù)值更加準(zhǔn)確，對(duì)油套管下井使用更有保障。這一點(diǎn)，在API TR 5C3 中也有提到。

最后，針對(duì)業(yè)內(nèi)有人主張用螺旋線承載面積來(lái)計(jì)算螺紋的連接強(qiáng)度，在這里簡(jiǎn)單介紹一下。API SPEC 5B 中BC 形螺紋的設(shè)計(jì)以L7 為界分為完整螺紋和不完整螺紋兩個(gè)部分，L7 以內(nèi)的承載面積和L7 以外的承載面積的總和乘以材料屈服強(qiáng)度，作為螺旋線的承載面積，用來(lái)作為螺紋的連接強(qiáng)度。其中，不完整螺紋長(zhǎng)度為黑皮扣部分，所以要進(jìn)行一定的折算，這個(gè)折算業(yè)內(nèi)人士也有各種不同經(jīng)驗(yàn)看法。另外，計(jì)算螺紋的承載面積時(shí)，由于承載面是一個(gè)螺旋帶狀，所以精確計(jì)算它的面積十分復(fù)雜。考慮到我們面對(duì)的是一個(gè)圓錐螺紋，它的直徑隨著軸向位置的變化而變化，可以用L7 處的中徑E7 來(lái)代替變化的螺紋直徑，也就是E7 作為平均直徑計(jì)算螺旋線長(zhǎng)度。這種計(jì)算有太多的簡(jiǎn)化而沒(méi)有被權(quán)威統(tǒng)一和認(rèn)可，所以這種BC 形螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算的方法還有待于進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

本文先對(duì)API 標(biāo)準(zhǔn)偏梯螺紋連接強(qiáng)度的計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)要解析，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出一種計(jì)算非API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的偏梯螺紋連接強(qiáng)度的推薦方法。通過(guò)不同非標(biāo)規(guī)格BC 螺紋采用不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，和相同外徑不同壁厚的非標(biāo)規(guī)格BC螺紋采用不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。結(jié)果顯示，筆者推薦的強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)提供給用戶的套管、油管、接頭使用性能的計(jì)算更具有可靠性，可供石油套管工程參考應(yīng)用。這種方法同樣對(duì)API 規(guī)格的BC 螺紋連接強(qiáng)度的計(jì)算具有參考意義。