一種適用于鈦合金油管氣密封螺紋接頭的開發(fā)*

何石磊， 周新義， 汪 強，苑清英， 任 勇， 李周波， 李遠征

（1. 國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）

隨著油氣田的開發(fā)逐漸向縱深發(fā)展， 深井、超深井的高壓井的出現(xiàn)致使勘探開發(fā)難度逐漸增大， 其面臨的一系列完井問題的核心是完井管柱的材質(zhì)選擇[1-5]。 由于高溫高壓井和超高壓高溫井一般有苛刻的井底溫度、 壓力及含CO2、 H2S 和Cl-等復(fù)雜腐蝕工況條件， 迫切需要使用高強度的耐蝕石油管材。 其中鈦合金油管具有高比強度和優(yōu)異的抗腐蝕性能， 成為當(dāng)前高壓高溫井、 超高壓高溫井選材和腐蝕控制的熱點之一[2,6-8]。 據(jù)統(tǒng)計，油管失效事故約64%發(fā)生在螺紋聯(lián)接部位， 因此油管接頭成為影響油管性能的關(guān)鍵部位。 隨著深井、 超深井及高溫高壓油氣井的廣泛開發(fā)， 常規(guī)API 螺紋扣型已經(jīng)不能滿足苛刻工況要求， 需要氣密封性能優(yōu)異的特殊螺紋接頭[9-13]。 雖然國內(nèi)外相繼開發(fā)了多種優(yōu)異的氣密封螺紋接頭， 并且已應(yīng)用于碳鋼或鎳基合金等管材， 但鈦合金具有易粘扣、 彈性模量低、 拉伸應(yīng)變大等材料屬性， 現(xiàn)有碳鋼或鎳基合金等管材的氣密封螺紋不適用于鈦合金材料[1-3,5]。 因此， 針對鈦合金的材料特點， 需要開發(fā)適用于鈦合金材質(zhì)的氣密封螺紋接頭。

1 研究方法

特殊螺紋接頭包括螺紋、 密封和扭矩臺肩三部分， 主要解決結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性問題，并使其性能達到等管體性能， 如拉伸效率100%、 壓縮效率80%、 內(nèi)壓效率100%及外壓效率100%等。 針對鈦合金的材料屬性， 本研究從三個方面開展研究， 開發(fā)一種適用于鈦合金石油管材的新型氣密封螺紋接頭。

（1） 特殊螺紋設(shè)計。 結(jié)合鈦合金油管的材料屬性， 對比分析現(xiàn)用碳鋼或鎳基合金等油井管的氣密封螺紋接頭的牙型結(jié)構(gòu)、 牙型尺寸、 密封面結(jié)構(gòu)、 扭矩臺肩尺寸等關(guān)鍵參數(shù)， 并根據(jù)螺紋接頭的設(shè)計指標(biāo)， 確定鈦合金油管的螺紋接頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

（2） 有限元模擬分析。 采用有限元法， 模擬分析極限試樣在復(fù)合載荷下不同受力狀態(tài)的應(yīng)力分布， 從而優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計， 并驗證設(shè)計的螺紋接頭的合理性。

（3） 實物性能評價試驗。 依據(jù)ISO 13679：2002 或API 5C5： 2017 標(biāo)準(zhǔn)， 制備鈦合金油管螺紋接頭試驗評價所需極限試樣； 然后采用復(fù)合加載試驗設(shè)備， 通過施加不同軸向應(yīng)力、 內(nèi)外壓力、 溫度等載荷來驗證螺紋接頭是否具有良好的結(jié)構(gòu)和密封完整性。

2 特殊螺紋設(shè)計

2.1 螺紋牙型設(shè)計

用于高溫、 高壓、 高腐蝕環(huán)境下的鈦合金油管螺紋接頭， 需要可靠的氣密封性能、 較高的連接強度以及良好的抗螺紋黏結(jié)性能。 偏梯形螺紋具有很高的連接強度， 目前市場上特殊螺紋接頭均采用偏梯形螺紋連接。 該螺紋接頭采用了負角度的偏梯形螺紋設(shè)計， 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 可提高接頭在拉伸載荷和彎曲載荷時的連接性能和抗彎曲能力。 采用內(nèi)外螺紋不同的齒高參數(shù)和合理的齒側(cè)間隙設(shè)計， 可助于消除螺紋脂堆積造成螺紋發(fā)生黏結(jié)的可能性， 并提高接頭的抗壓縮能力。

圖1 特殊螺紋結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前普遍采用的密封形式主要有錐面/錐面、球面/錐面、 球面/柱面等， 其密封機理是通過接頭密封面上過盈配合發(fā)生金屬彈性變形， 使接觸面上產(chǎn)生一定的接觸長度和接觸壓力， 從而阻止氣體通過密封面溢出而實現(xiàn)氣密封。 而密封面的設(shè)計原則是在不同載荷工況下密封面都有一定的接觸壓力以確保密封效果。 因鈦合金管材與鎳基合金等材料屬性差異較大， 其密封面的錐度和過盈量的合理配合是設(shè)計的關(guān)鍵。 通過大量的有限元計算和實物評價試驗， 設(shè)計的螺紋接頭采用1∶6～1∶12 錐面/錐面密封 （如圖1 所示）， 過盈量30～80 μm， 從而保證鈦合金油管特殊螺紋最佳的密封面角度和合理的密封過盈量， 保證接頭在復(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)異的密封能力。

2.3 扭矩臺肩結(jié)構(gòu)設(shè)計

臺肩的常見結(jié)構(gòu)形式為負角度臺肩/直角臺肩。 設(shè)計鈦合金接頭內(nèi)螺紋采用-8°～-20°的負角度臺肩 （如圖1 所示）。 負角度扭矩臺肩不僅能提供準(zhǔn)確的上扣定位， 防止錐形密封面因過擰導(dǎo)致過盈超預(yù)期， 而且合理的扭矩臺肩高度受到過扭矩時能確保結(jié)構(gòu)完整性， 對密封面有支撐作用， 并提供輔助氣密封能力。

3 有限元結(jié)構(gòu)模擬分析

為了驗證設(shè)計的合理性， 根據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)尺寸及過盈量， 對設(shè)計的油管特殊螺紋接頭進行不同載荷下的有限元分析計算和設(shè)計評估， 為后續(xù)的試驗和安全使用提供科學(xué)論據(jù)。 根據(jù)螺紋接頭的特點， 采用通用Abaqus 有限元軟件， 建立軸對稱有限元模型。 模擬的鈦合金油管主要參數(shù)見表1， 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示。 依據(jù)API 5C5： 2017 標(biāo)準(zhǔn)， 采用鈦合金油管極限公差最低密封過盈試樣進行CAL IV 級A 系列室溫下受力分析， 分析載荷點如表2 和圖3 所示。 由圖3 可見， 載荷值均位于90%管體VME 曲線上。

表1 螺紋接頭有限元模擬的主要參數(shù)

圖2 鈦合金油管應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 有限元模擬工況的分析步載荷

圖3 有限元模擬A 系載荷包絡(luò)線

鈦合金油管的螺紋接頭在典型復(fù)合載荷下的等效應(yīng)力分布如圖4 所示。 其中， 圖4 （a）為在上扣后的VME 等效應(yīng)力圖， 密封和臺肩位置的等效應(yīng)力較高， 但是低于鈦合金的實際屈服強度， 而螺紋部分的等效應(yīng)力相對較低。圖4 （b） 為90%拉伸+90%內(nèi)壓復(fù)合載荷下螺紋接頭VME 等效應(yīng)力圖， 外螺紋端不完整螺紋和內(nèi)螺紋接近密封部分的退刀區(qū)附近等效應(yīng)力較高， 接近材料的屈服強度。 圖4 （c） 為CEYP+90%內(nèi)壓復(fù)合載荷下螺紋接頭VME 等效應(yīng)力分布圖， 密封面位置和內(nèi)螺紋接近密封部分的退刀區(qū)附近等效應(yīng)力較高， 但低于材料的屈服強度。 隨著軸向拉應(yīng)力+內(nèi)壓轉(zhuǎn)向軸向壓應(yīng)力+外壓， 臺肩處及螺紋導(dǎo)向面等效應(yīng)力較高， 如圖4 （d） 所示， 說明在接頭受壓縮載荷時， 螺紋牙型和齒側(cè)間隙的設(shè)計使導(dǎo)向面起到了抵抗壓縮載荷的作用。 隨著壓縮載荷的降低， 外螺紋臺肩承載壓縮載荷比例增加， 而內(nèi)螺紋僅端面等效應(yīng)力較高， 如圖4 （e） 所示。隨著軸向載荷從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換成拉應(yīng)力， 等效應(yīng)力較高的位置出現(xiàn)于密封面位置和外螺紋不完整螺紋處, 如圖4 （f） 所示。

圖4 室溫復(fù)合載荷下油管螺紋接頭的等效應(yīng)力分布圖

特殊螺紋接頭的密封性能常用密封面的密封指數(shù)進行評估[13-16]。 采用文獻[15] 中評價金屬/金屬密封性能評價指數(shù)Sa對設(shè)計的螺紋接頭密封性能進行評估。 基于無螺紋脂模型， 金屬/金屬密封性能評價指數(shù)Sa定義為

式中： Sa——密封指數(shù)， mm·MPa1/4；

P——密封面接觸壓力， MPa；

L——密封面有效長度， mm。

同時， 考慮高溫高壓油管及標(biāo)準(zhǔn)中極限泄露速度為0.9 cm3/15 min 時， 金屬/金屬臨界密封指數(shù)Sac定義為

式中： Pgas——氣體壓力， MPa；

Patm——大氣壓力， MPa。

從公式 （1） 可以看出， 該密封指數(shù)與密封面接觸壓力和接觸長度有關(guān)。 鈦合金油管接頭在典型載荷下沿密封面長度方向上接觸壓力分布及變化情況如圖5 所示。 基于模擬最高VME 內(nèi)壓值， 由公式 （1） 和公式 （2） 分別計算典型載荷步下載荷點上密封面的密封指數(shù)和密封臨界指數(shù)， 計算結(jié)果如圖6 所示。

圖5 在典型載荷下密封面密封壓力分布

圖6 在每個載荷點下密封指數(shù)

從圖5 和圖6 可以看出， 在內(nèi)壓載荷下， 軸向載荷從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力時密封壓力和密封指數(shù)逐步增加。 當(dāng)由內(nèi)壓轉(zhuǎn)化為外壓時， 軸向載荷從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力時密封壓力和密封指數(shù)逐步降低。 在67%拉伸+100%外壓載荷下密封指數(shù)達到最小值， 但仍高于密封臨界指數(shù)， 表明設(shè)計的鈦合金油管螺紋接頭具有較高的密封可靠性。

4 實物性能評價試驗

為驗證設(shè)計開發(fā)的特殊螺紋接頭連接強度和密封完整性， 結(jié)合ISO 13679： 2002 和API 5C5：2017 標(biāo)準(zhǔn)對110 ksi 鋼級Φ88.90 mm×7.34 mm 鈦合金特殊螺紋油管進行了全尺寸實物性能試驗。試驗用試樣共4 根， 都需要進行上卸扣試驗、彎曲條件下拉伸/壓縮和內(nèi)壓試驗、 拉伸和內(nèi)壓條件下熱循環(huán)試驗、 高溫下復(fù)合載荷試驗和極限載荷試驗。

4.1 上卸扣試驗

對設(shè)計開發(fā)的螺紋接頭進行上卸扣試驗， 以驗證其抗粘扣性能。 接箍內(nèi)螺紋表面進行微弧氧化表面處理， 螺紋脂采用Bestolife2000， 具體上卸扣參數(shù)見表3。 試驗后上扣扭矩曲線符合設(shè)計要求， 內(nèi)外螺紋表面均完好， 如圖7 所示。

表3 上卸扣試驗參數(shù)

4.2 彎曲條件下拉伸/壓縮和內(nèi)壓試驗

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。 試驗載荷位于材料名義屈服強度的90%VME 包絡(luò)線上。 試驗溫度為室溫， 加壓介質(zhì)為干燥氮氣， 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20°/30 m。 試驗未發(fā)生泄漏，試驗加載點數(shù)據(jù)見表4。

表4 試驗載荷加載數(shù)據(jù)

4.3 拉伸和內(nèi)壓條件下熱循環(huán)試驗

拉伸和內(nèi)壓條件下熱循環(huán)試驗加載點數(shù)據(jù)見表5。 試驗中內(nèi)壓介質(zhì)為干燥氮氣， 泄漏檢測裝置為氣泡瓶檢漏系統(tǒng)。 采用感應(yīng)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)， 試驗未發(fā)生泄漏。

表5 拉伸和內(nèi)壓條件下試驗加載點

4.4 高溫下復(fù)合載荷試驗

為了驗證高溫下接頭密封完整性， 對特殊螺紋接頭進行高溫、 高壓及軸向力作用復(fù)合載荷試驗。 試驗溫度為180 °C， 高溫下試驗載荷點見表6， 試驗未發(fā)生泄漏。

表6 180 °C 高溫下復(fù)合載荷試驗載荷點

4.5 極限載荷試驗

為了驗證螺紋接頭結(jié)構(gòu)和密封的極限性能，依據(jù)API 5C5 標(biāo)準(zhǔn)采用4 個試樣進行極限載荷試驗， 試驗結(jié)果見表7， 失效后典型試樣形貌如圖8 所示。 試驗結(jié)果表明， 試樣的抗內(nèi)壓強度、 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)合載荷下的極限強度，如拉伸下抗內(nèi)壓強度、 高內(nèi)壓下的抗拉強度、內(nèi)壓下的抗壓縮強度等， 均超過按名義屈服強度計算的承載包絡(luò)線。

表7 螺紋接頭極限載荷試驗結(jié)果

圖8 螺紋接頭高內(nèi)壓拉伸至失效實物照片

5 結(jié) 論

（1） 采用負角度承載面和不同內(nèi)外螺紋齒高參數(shù)的牙型、 合理的錐面/錐面密封面角度和密封過盈量配合、 接箍內(nèi)螺紋的負角度扭矩臺肩設(shè)計的高性能油管螺紋接頭， 具有良好的抗螺紋粘扣性能、 優(yōu)異的室溫和高溫復(fù)合載荷條件下氣密封性能、 較高的抗彎曲能力以及較高的抗壓縮能力。

（2） 通過有限元分析方法和實物評價試驗，一致驗證了高性能油管螺紋接頭的密封可靠性。