鈦合金特殊螺紋接頭HSTI性能分析

胡志立，李小兵，李建亮，付 強(qiáng)，吳 丹，張垂貴，李 健，胡新太

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

目前，當(dāng)含腐蝕性介質(zhì)的油氣井溫度超過350℉（176℃），需要采用鎳基合金或鈦合金油套管來滿足惡劣的服役井況［1-4］。鎳基合金雖然耐蝕性較好，但其管材也存在加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)難度大，高溫力學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)［5-6］。鈦合金在耐應(yīng)力、中高溫力學(xué)性能、耐腐蝕、耐高溫高壓、可焊接性、機(jī)械加工、抗震性等方面均優(yōu)于鎳基合金，其在高腐蝕性井況及海洋油氣領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力［7-11］。此外，鈦合金的密度約為鎳基合金的一半，所以在相同井深下，鈦合金管柱自身質(zhì)量產(chǎn)生的軸向載荷約為鎳基合金管的一半，同時(shí)鈦合金管每米的價(jià)格要遠(yuǎn)低于鎳基合金管每米的價(jià)格。

由于鈦合金材質(zhì)與普通碳鋼差異較大，所以普通碳鋼的螺紋接頭參數(shù)不適用于鈦合金螺紋接頭［12-13］。現(xiàn)介紹衡陽華菱鋼管有限公司開發(fā)的一種鈦合金螺紋接頭HSTI，并分析其密封性能，以期為鈦合金螺紋接頭的開發(fā)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鈦合金管特殊螺紋接頭的螺紋結(jié)構(gòu)、牙型設(shè)計(jì)、螺紋過盈量、密封過盈量等均與普通碳鋼的有區(qū)別。

（1）齒形。螺紋牙采用改進(jìn)的偏梯形螺紋，螺紋錐度1∶16，螺紋齒頂、齒底平行螺紋軸線，內(nèi)螺紋的齒高大于外螺紋齒高。螺紋導(dǎo)向面要有合理的間隙，間隙過大不利于接頭壓縮性能，間隙太小螺紋易黏結(jié)。

（2）螺紋脂儲存槽。由于鈦合金材質(zhì)較軟，易變形，為防止過量的螺紋脂憋壓過大對密封面穩(wěn)定的接觸狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響，在密封面前后分別設(shè)計(jì)螺紋脂儲存槽結(jié)構(gòu)，方便儲存過多的螺紋脂。

（3）密封面及臺肩。采用小錐度的錐面+弧面/錐面密封結(jié)構(gòu)，使得密封接觸狀態(tài)更穩(wěn)定。負(fù)角度的逆向臺肩，起到上扣定位作用，并提高了接頭抗壓縮和彎曲性能。

（4）表面處理。鈦合金的摩擦因數(shù)較高，螺紋接頭易發(fā)生黏著磨損，所以需要對其表面進(jìn)行改性，以提高接頭的耐磨減摩性能，一般直接在鈦合金接箍表面磷化和鍍銅時(shí)，鍍層容易脫落，需要先預(yù)鍍鎳再鍍銅，這在試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。

2 有限元分析

以Φ88.90 mm×9.525 mm規(guī)格鈦合金管為例，利用ABAQUS有限元分析軟件，對特殊螺紋接頭HSTI的接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，具體如圖1所示，螺紋部位細(xì)化網(wǎng)格為0.1 mm，密封面和臺肩部位細(xì)化網(wǎng)格為0.05 mm，采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元CAX4，接觸模式為面對面接觸。取材料彈性模量108 GPa，泊松比0.32，材料模型采用雙線性強(qiáng)化模型，根據(jù)接頭材料的實(shí)際性能輸入真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)接頭的受力情況施加邊界條件。根據(jù)接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，將其按軸對稱問題處理，且將接頭的接箍中面處理為對稱面，該截面內(nèi)各點(diǎn)只有徑向位移自由度；為消除管端效應(yīng)，建模時(shí)取管體長度約為螺紋長度的3倍。建模時(shí)引入以下簡化和假設(shè)：螺紋的螺旋升角很小，忽略其影響，把接頭視為軸對稱結(jié)構(gòu)；接頭的材料視為均勻的各向同性體；接觸面的摩擦因數(shù)與實(shí)際接觸面粗糙度及螺紋脂類型有關(guān)，根據(jù)前期試驗(yàn)反饋，螺紋部位及密封面和臺肩部位取相應(yīng)的摩擦因數(shù)。

圖1 特殊螺紋接頭HSTI的有限元模型接觸部位網(wǎng)格細(xì)化

特殊螺紋接頭HSTI在上扣狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖如圖2所示?？梢钥闯觯航宇^螺紋部位等效應(yīng)力較低，鼻端部位應(yīng)力較高；其中密封部位應(yīng)力達(dá)到最大，但低于材料屈服強(qiáng)度，密封部位較高的接觸應(yīng)力有利于接頭的密封性能；整體接頭應(yīng)力分布合理。

圖2 特殊螺紋接頭HSTI在上扣狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖

保證密封完整性是特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)中最重要、最難的一個(gè)環(huán)節(jié)，是為了保證接頭在井筒下不發(fā)生泄漏，按照ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》CALⅣA系試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)合加載，分析特殊螺紋接頭HSTI的密封性能，復(fù)合加載點(diǎn)見表1。

表1 ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅣA系試驗(yàn)復(fù)合加載點(diǎn)數(shù)值

特殊螺紋接頭HSTI在上扣和拉伸下的密封接觸壓力分布曲線如圖3所示。從圖3可以看出：密封接觸壓力曲線呈現(xiàn)較好的馬鞍形，中間下降較平緩；在上扣及14個(gè)復(fù)合加載點(diǎn)下，密封接觸長度基本保持在2.0～2.4 mm，密封接觸壓力分布較合理，表明其保持非常良好的密封接觸狀態(tài)，說明其密封性很好。

圖3 特殊螺紋接頭HSTI在上扣和拉伸下的密封接觸壓力分布曲線

采用冪指數(shù)積分密封指數(shù)判斷準(zhǔn)則來定量評價(jià)接頭的密封性能。針對熱采井，Murtagian和Xie均提出，冪指數(shù)積分密封指數(shù)Wa定義為密封面上接觸應(yīng)力σ的n次方對接觸長度L的積分［14-16］：

其中，采用螺紋脂時(shí)n取1.2，無螺紋脂時(shí)n取1.4。

基于大量的試驗(yàn)和有限元分析，Xie提出密封指數(shù)臨界值Wac按公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中P管——管柱內(nèi)氣壓，MPa；

P氣——大氣壓力，MPa。

因此，要保證接頭密封性能，需滿足Wa≥Wac。

特殊螺紋接頭HSTI在上扣及復(fù)合加載點(diǎn)下的密封指數(shù)與臨界密封指數(shù)對比曲線如圖4所示。從圖4可以看出：特殊螺紋接頭HSTI在所有加載點(diǎn)的密封指數(shù)值均遠(yuǎn)大于理論臨界密封指數(shù)值，表明該接頭具有優(yōu)異的密封性能。

3 實(shí)物試驗(yàn)

3.1 上卸扣實(shí)物試驗(yàn)

圖4 特殊螺紋接頭HSTI在上扣及復(fù)合加載點(diǎn)下的密封指數(shù)與臨界密封指數(shù)對比曲線

上卸扣試驗(yàn)可以檢驗(yàn)螺紋接頭的抗黏結(jié)性能，是上扣完整性能的直接體現(xiàn)，也是開發(fā)螺紋接頭的第一步。由于鈦合金材質(zhì)摩擦因數(shù)高，質(zhì)軟，材質(zhì)間很容易發(fā)生黏著，而且一般化學(xué)鍍磷化層很難附著在鈦合金基體上，導(dǎo)致鈦合金螺紋接頭很容易發(fā)生螺紋黏結(jié)，需要先預(yù)鍍鎳再電鍍銅。經(jīng)過實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，特殊螺紋接頭HSTI可以滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 13679∶2002油管螺紋上扣10次不黏結(jié)的要求。特殊螺紋接頭HSTI卸扣后的宏觀形貌如圖5所示，螺紋接頭表面光滑，沒有發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。

圖5 特殊螺紋接頭HSTI卸扣后的宏觀形貌

特殊螺紋接頭HSTI的上扣扭矩曲線如圖6所示。其中，綠線和紅線是圈數(shù)—扭矩曲線，藍(lán)線是時(shí)間—扭矩曲線。從圖6可以看出：螺紋配合段及密封配合段產(chǎn)生的扭矩保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，也反映出螺紋接頭表面狀態(tài)完好，沒有發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，同時(shí)表明接頭螺紋過盈量和密封過盈量設(shè)計(jì)較合理。

圖6 特殊螺紋接頭HSTI的上扣扭矩曲線

3.2 復(fù)合加載實(shí)物試驗(yàn)

復(fù)合加載試驗(yàn)是檢驗(yàn)接頭在拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、彎曲、高溫等復(fù)合工況下的氣密封性能。經(jīng)過ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅣ一系列全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評價(jià)，鈦合金特殊螺紋接頭HSTI未發(fā)生泄漏或其他結(jié)構(gòu)失效，成功通過了ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅣ試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該特殊螺紋接頭具有優(yōu)異的密封性能，其拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓效率達(dá)到管體的100%。

4 結(jié) 語

特殊螺紋接頭HSTI是針對鈦合金材質(zhì)而專門開發(fā)的高性能特殊螺紋接頭。該接頭具有良好的抗螺紋黏結(jié)性能；有限元分析和全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評價(jià)表明該接頭具有優(yōu)異的密封穩(wěn)定性能，在復(fù)合加載下，其內(nèi)壓、外壓、拉伸、壓縮等效率均達(dá)到管體的100%。