管螺紋密封機理探討分析

劉翠潔，閆家振

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

0 引 言

管螺紋是用于管與接頭、管箍、閥件、泵、缸等連接的基本手段。石油鉆采設(shè)備現(xiàn)已是高度自動化、智能化的機電一體化設(shè)備，大量使用著液壓、氣控、潤滑及冷卻回路，因此管螺紋在石油裝備上得到了廣泛的應(yīng)用。相比于緊固連接螺紋，管螺紋的種類繁多，管螺紋代號也比較混亂，不同國家、不同時期的代號也各不相同。

目前，關(guān)于管螺紋的介紹與綜述類文獻較多，也有研究管螺紋加工與檢測技術(shù)的，但關(guān)于管螺紋的密封機理，及其在石油鉆臺設(shè)備領(lǐng)域的的螺紋設(shè)計選用及不同形式螺紋間的關(guān)系與互換性的研究一直未見文獻報道[1-6]。筆者根據(jù)新設(shè)備研發(fā)設(shè)計及設(shè)備維修改造中管螺紋的應(yīng)用經(jīng)驗，根據(jù)管螺紋的起源將管螺紋劃分為英制管螺紋與美制管螺紋兩大類管螺紋，并研究分析了相似螺紋間的互換使用問題。

1 英制管螺紋與美制管螺紋

從來源上講，目前世界上在使用的螺紋主要有兩大類[7-8]，英制管螺紋和美制管螺紋。前者來自惠氏螺紋，后者來自美國國家螺紋標準。兩者均為英寸制螺紋。區(qū)分英制管螺紋和美制管螺紋的最簡單方式是牙型角：英制管螺紋牙型角是55°；美制管螺紋牙型角是60°。

為了在國際市場上推廣管螺紋標準，兩類管螺紋均進行了米制化，即將英寸尺寸乘以25.4轉(zhuǎn)化為毫米尺寸，因此并不是“真正的米制管螺紋”。所以在讀這兩類標準時可以不必刻意關(guān)注英制米制之分，本質(zhì)上是同一種螺紋。

在ISO管螺紋標準出臺之前，世界范圍內(nèi)的管螺紋代號比較混亂，中國、比利時、日本、韓國等都有各國自己的螺紋代號，比如中國舊制密封錐管螺紋的代號為“ZG”，美制一般密封圓錐管螺紋為“Z”。因此，在遇到老圖紙資料時需要單獨查詢該國的舊標準，才能正確的讀懂這些螺紋型式。

1.1 英制管螺紋的標準及代號

英制管螺紋，牙型角是55°管螺紋。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為圓柱管螺紋和圓錐管螺紋，根據(jù)功能和使用方式分為密封管螺紋和非密封管螺紋。ISO標準基本采用了英國標準，共兩個標準，分別規(guī)定了密封管螺紋和非密封管螺紋。

我國的55°管螺紋標準是ISO標準的等效標準[9～13]，ISO、GB的標準內(nèi)容和對照見表1。

表1 英制管螺紋ISO、GB標準及型式匯總表

1.2 美制管螺紋的標準及代號

美制管螺紋，牙型角是60°管螺紋，同樣有圓柱螺紋和圓錐螺紋兩種結(jié)構(gòu)型式。美國標準的管螺紋標準有2個，分別規(guī)定了一般用途管螺紋和干密封管螺紋的技術(shù)條件。

表2中的ASME B1.20.1、ASME B1.20.2M兩個標準，其技術(shù)內(nèi)容完全一致，區(qū)別就是ASME B1.20.2M技術(shù)要求中的所有尺寸為毫米單位尺寸，如B2.20.1中牙數(shù)規(guī)定為“每英寸牙數(shù)”、B1.20.2M中則規(guī)定為“每25.4 mm牙數(shù)”。

表2 美制管螺紋ISO、GB標準及型式匯總表[14-18]

國標在管螺紋采標時，英制管螺紋幾乎是完全等效采用ISO標準，美制管螺紋(GB/T 12716)僅采用了NPT、NPSC這兩種螺紋。ASME B1.20.1中規(guī)定的NPSH系列螺紋共5種螺紋型式，其中NPSC與NPT的關(guān)系與55°密封管螺紋中的圓柱內(nèi)螺紋和圓錐內(nèi)/外螺紋的使用情況類似；僅看NPSL的螺紋形式，忽略其鎖緊螺母結(jié)構(gòu)，其在美制管螺紋中的作用相近于英制管螺紋的非密封管螺紋(G螺紋)；NPTR、NPSM、NPSL是美制管螺紋獨有的管螺紋形式，沒有明確的密封要求，使用范圍窄，在專業(yè)廠家的樣本中也鮮見其存在。

此外，德國制定過牙型角60°的“真正的米制管螺紋”標準(DIN 158-1)[19]，因其螺紋設(shè)計牙型、錐度等均與美制管螺紋理念相同，因此筆者認為可把它看做一種特殊的美制管螺紋。DIN 158-1規(guī)定的螺紋形式同樣有圓柱內(nèi)螺紋、圓錐內(nèi)螺紋、圓錐外螺紋。其規(guī)格和緊固螺紋(M)非常相似，如M8×1keg，是標準的米制尺寸規(guī)格。我國也在DIN 158-1標準的基礎(chǔ)上制定了GB 1415。但是這種螺紋在國內(nèi)、乃至國際上，都沒有被廣泛接受，目前為止，筆者未在油氣鉆采設(shè)備的已有設(shè)計中遇到過這類螺紋的應(yīng)用實例。

2 管螺紋在國內(nèi)市場的使用

目前，在國內(nèi)市場，兩類管螺紋應(yīng)用都很廣泛，但標準選用尚無明確規(guī)定，多是按照行業(yè)慣例或各企業(yè)的使用慣例在使用，比如氣缸接口，一般是選擇R螺紋(55°)，液缸接口，則是G螺紋(55°)使用較多，液壓系統(tǒng)的接頭、閥件等配件，NPT管螺紋應(yīng)用最廣。

石油鉆采設(shè)備中，英制管螺紋一般只用于潤滑系統(tǒng)或氣控系統(tǒng)等對密封要求不是特別高的場合。而且，多數(shù)廠家選擇自制此類管件和接頭，而非采購成品。相較于氣動配件，液壓配件的產(chǎn)品規(guī)格種類很齊全，且均已形成批量產(chǎn)銷市場。因此，在設(shè)計液壓系統(tǒng)或其他較高壓場合，基本都是采購專業(yè)廠家的配件，極少自制。

3 管螺紋密封機理及牙型設(shè)計探討

3.1 連接螺紋沒有密封性

以最常用的米制連接螺紋M螺紋(GB/T196)[20]為例，M螺紋全部為柱螺紋。內(nèi)螺紋牙頂、外螺紋牙底削平1/4H(H為設(shè)計牙型牙高)，內(nèi)螺紋牙底、外螺紋牙頂則削去1/8H。根據(jù)GB/T 197[21]，螺紋最緊密連接的配合是H/h，因此，加工合格的內(nèi)外螺紋旋合時始終有一個小間隙，能夠順暢的旋轉(zhuǎn)直至垂直于軸向的連接面接觸，這個間隙形成的環(huán)形空間，導致普通連接螺紋沒有密封性。

3.2 英制密封管螺紋特性分析

要僅靠螺紋本身形成密封螺紋副，至少有一件螺紋需是錐螺紋，保證最少有一環(huán)能夠形成閉環(huán)。考慮到制造工藝，一般選外螺紋為錐螺紋。因此，密封螺紋副有兩種有效的配合形式：圓柱內(nèi)螺紋/圓錐外螺紋、圓錐內(nèi)螺紋/圓錐外螺紋。

圖1 英制密封管螺紋的牙型

在管螺紋連接過程中，當?shù)谝画h(huán)牙型接觸上后，理想情況下，內(nèi)外螺紋的基準平面重合。加工有管螺紋的零件經(jīng)常是管子、閥門、接頭等零件，一般都為塑性材料。在基準平面重合后，使用扳手或其他工具可以繼續(xù)旋合，旋合過程中牙型發(fā)生變形，直至牙頂、牙底、牙側(cè)都能夠緊密貼合，牙型停止變形，形成封閉空間，實現(xiàn)密封功能。

ISO 7-1、GB/T 7306.2對圓錐管螺紋的公差的規(guī)定，都是基準平面的軸向位移。這和管螺紋的密封過程是一致的。對柱/錐連接而言，圓錐外螺紋總有一個直徑是能夠和圓柱螺紋的直徑一致的，區(qū)別只是這個直徑的位置與理論基準平面的偏差。對錐/錐連接來說也是同樣的道理。這樣也為螺紋檢驗提供了方便，因為測量螺紋要素是一件很復(fù)雜的事，實用的做法是用螺紋規(guī)做綜合測量，檢測螺紋規(guī)的端面是否落在螺紋端面的公差帶內(nèi)(±T1/2或±T2/2)即可。

圓柱內(nèi)螺紋的直徑尺寸直接影響旋合完成后的具體尺寸，ISO 7-1及GB 7306.1對圓柱內(nèi)螺紋的公差要求都有直徑偏差要求。GB 7306.1比ISO 7-1多一項軸向圈數(shù)的偏差規(guī)定，這個偏差數(shù)據(jù)和與之配對的圓錐外螺紋的錐度與螺距換算過來的數(shù)據(jù)一致，所以可認為是同一要求。

3.3 美制密封管螺紋特性分析

美制管螺紋錐度也為1：16，但牙型角是60°，牙頂和底都削平。

美制管螺紋只定義了參考平面(見圖2)，沒有用基準平面的概念，代之以手旋合平面。手動旋合后，理想情況下，手旋合平面重合。使用工具繼續(xù)擰緊，螺紋間產(chǎn)生過盈變形，實現(xiàn)密封，密封機理與英制管螺紋一致。螺紋的檢測同樣是靠螺紋規(guī)測量端面的位移。

美制管螺紋對螺紋的基本尺寸的規(guī)定思路與英制管螺紋不同。ASME B1.20.1對NPT基本尺寸的規(guī)定見圖2所示。

圖2 NPT螺紋基本尺寸及平面示意圖

NPT螺紋的設(shè)計基準平面稱為參考平面Reference plane(亦稱零點zero)，參考平面為外螺紋的管端，且明確將內(nèi)螺紋的管端定義為手旋合平面Plane of hand-tight engagement。內(nèi)螺紋基本尺寸的定義，同樣定在了參考平面處的的尺寸。

NPT螺紋對直徑尺寸的規(guī)定是外螺紋始端處中徑和管小端基本小徑。至于為什么分別規(guī)定的是中徑和小徑，筆者推測，主要是基于以下原因：內(nèi)螺紋在加工螺紋前，是要首先制孔的，為保證內(nèi)螺紋的小徑是通過加工成形的，無論預(yù)制孔是直孔還是錐孔，均不能大于螺紋小徑，因此對基本尺寸的規(guī)定是小徑，便于加工工藝參數(shù)的選取和確定。外螺紋基本是在管子上加工螺紋，因此就沒有這方面的顧慮。此外，ASME B1.20.1對配合螺紋設(shè)計公差的要求是，牙頂和牙底可以是有間隙、相接觸、相互干擾三種狀態(tài)，且對螺紋的削平高度只規(guī)定了最小和最大尺寸，只要求牙頂和牙底平面應(yīng)平行于中徑線或螺紋軸線，這樣只規(guī)定中徑，設(shè)計者可以據(jù)此對大徑和小徑做進一步的設(shè)計。

1.符號性。如前所言，導視系統(tǒng)有著引導、指示等功能，需要讓來者，尤其是第一次到來的人直觀省時地找到自己的目的地。因此設(shè)計高校導視系統(tǒng)時應(yīng)當注意視覺元素的簡潔性，在此基礎(chǔ)上概括出圖形、符號。歸根到底，高校導視系統(tǒng)中占主導的還是這些圖形與符號及與之配合出現(xiàn)的文字。

3.4 非密封管螺紋及密封螺紋副的配合形式

ISO標準中的英制管螺紋(55°)包含密封管螺紋R螺紋和非密封管螺紋G螺紋，兩種螺紋的設(shè)計牙型是完全一致的。G螺紋的內(nèi)外螺紋都是圓柱螺紋，其內(nèi)螺紋的下偏差(EI)為零，外螺紋的上偏差(es)為零。因此，G螺紋與G螺紋組成的螺紋副，其密封性與普通連接螺紋M螺紋一樣，都存在一個環(huán)形空間，不具有密封性。

3.5 填料的使用及干密封管螺紋

從理論上來講，密封管螺紋可以不需要密封件，緊靠螺紋間的旋合實現(xiàn)密封。

實際上，只有ASME B1.20.3規(guī)定的干密封管螺紋是不需任何其他介質(zhì)，僅依靠螺紋自身就能完成密封功能的。干密封管螺紋是在ASME B1.20.1螺紋基礎(chǔ)上，進行螺紋型式修改，提高精度要求等方式設(shè)計而來，并對生產(chǎn)方法和連接件的彈塑性等方面提出了更高的要求。這種螺紋顯然是無法大批量用于所有管路連接的。

除了干密封管螺紋外，其他管螺紋在管路連接中，均需使用填料、密封膠或密封件來保證密封效果，這是非常經(jīng)濟有效的做法。

4 柱/錐螺紋副中的密封管螺紋Rp與非密封管螺紋G互換性討論

ISO 228-1中提到，“在必要的情況下，G內(nèi)螺紋與Rp(圓柱內(nèi)螺紋)可以與R螺紋進行連接。(備注：該連接不需實現(xiàn)密封)”而GB/T 7307-2001的前言中，則特別提到，“我國標準不推薦用密封管螺紋與非密封管螺紋組成密封螺紋副(G/R)或非密封螺紋副(Rp/G)。”

關(guān)于G內(nèi)螺紋與R1螺紋的連接是否能夠達到密封效果，文中繼續(xù)進行探討。

密封螺紋副Rp/R1的配合關(guān)系：螺紋加工的一個主要特點是，加工方式都依托于成形刀具或設(shè)備，也就是說，有相應(yīng)精度的刀具或設(shè)備，才能夠加工出相應(yīng)精度等級的螺紋來。因此，這里認為，在加工過程中沒有出現(xiàn)誤操作，質(zhì)量合格的螺紋，忽略刀具磨損造成的誤差，同一條螺紋的牙型基本是一致的。

如圖3所示，圓柱螺紋與圓錐螺紋配合，手旋合最小實體內(nèi)螺紋時牙型的停止位置位于圓柱螺紋的最外側(cè)牙，繼續(xù)擰緊，牙變形，消除牙型間隙，實現(xiàn)密封效果。

圖3 圓柱內(nèi)螺紋與圓錐外螺紋配合示意圖

Rp螺紋則是對稱的極限偏差(|ES|=|EI|)。通過對比具體公差可知，G螺紋的偏差值全部不小于Rp螺紋直徑的偏差值，因此可知，G/R1與Rp/R1螺紋配合相比，G/R1的配合中R1螺紋旋入長度更長的概率更大，因旋緊余量不足造成安裝力矩不足的可能性更大，密封效果更加難以保證。

ISO 7-1中注明，其圓柱內(nèi)螺紋的直徑公差是根據(jù)圓錐內(nèi)螺紋基準平面軸向位移極限偏差和螺距、錐度推導而來。GB/T 7306.1并未明確指出，但其數(shù)值一樣，因此其公差來源是一樣的。所以在計算旋入長度誤差時，可直接利用軸向圈數(shù)來進行計算。

下面具體以G3/8、Rp3/8和R13/8為例進行計算分析：

如圖4所示，極限情況下，Rp/R1螺紋旋合后的最小裝配余量是：

圖4 Rp/R1螺紋副示意圖

如圖5所示，G/R1配合旋入深度誤差的簡單計算如下：

圖5 G/R1螺紋副示意圖

(1) 若G牙頂與R1的牙底首先接觸，因公差造成需多旋入的深度為：

(ESG3/8-小徑-eiR1 3/8)/(1/16)

=(0.445+0.104)×16=8.784(mm)

換算成圈數(shù)為：8.784/(25.4/19)=6.57圈

再加上基準距離的偏差，最深會多旋入7.57圈，大于R13/8螺紋的裝配余量2.75圈，不能保證密封效果。

(2) 根據(jù)G中徑公差進行計算，因公差造成需多旋入的深度為：

(ESG3/8-中徑-eiR1 3/8)/(1/16)

=(0.125+0.104)×16=3.664(mm)

換算成圈數(shù)為：3.664/(25.4/19)=2.74圈

再加上基準距離的偏差，最深會多旋入3.74圈，依舊大于R13/8螺紋的裝配余量2.75圈，不能保證密封效果。

上述計算包含較大誤差。G螺紋的公差規(guī)定的相對較簡單，停止旋合時不一定是如計算中所示的G牙頂與R1的牙底接觸，而中徑公差又是平均中徑。此外，管螺紋連接施工時，基本都是配合填料使用的，合理使用生料帶等填料在一定程度上是能夠彌補牙型誤差造成的連接不緊密的情況。因此，實際生產(chǎn)中，是不會出現(xiàn)上述計算中的情況的。但從其結(jié)果來看，還是可以看出，相比較于Rp/R1螺紋副，G/ R1螺紋副的確更易出現(xiàn)密封效果差的問題，國標的推薦做法還是比較正確的。

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計選用原則：在設(shè)計鉆井設(shè)備時，首先應(yīng)根據(jù)客戶要求和設(shè)備使用國家及地區(qū)來選用所需執(zhí)行的標準規(guī)范。

國內(nèi)鉆井設(shè)備設(shè)計時，由于螺紋的加工特殊性，設(shè)計者應(yīng)避免選用不常用螺紋，建議按照下列方式選?。壕o固類螺紋優(yōu)先選擇米制螺紋而非英寸制螺紋；潤滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等對密封要求不嚴格的場合，可根據(jù)各企業(yè)的常用方式選取R螺紋或NPT螺紋；液動和氣動設(shè)備根據(jù)國內(nèi)市場常用的配件來選擇。

(2) 非密封管螺紋的使用：G螺紋加工簡單，配合密封件的使用，可以實現(xiàn)很好的密封效果。G螺紋在液壓缸的油口、閥塊接口以及接頭中，應(yīng)用十分廣泛。但是使用時必須注意，即使是在對密封要求不高的場合，也要盡量避免G螺紋與Rp螺紋的混用，且需選配合適的密封件，才能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封效果。

(3) 管螺紋連接：由于管螺紋的使用工況、裝配水平和檢測技術(shù)等情況非常復(fù)雜，且各類標準的指導性并不完全，如擰緊力矩，不論是ISO標準還是ASME標準都沒有明確的規(guī)定。管螺紋的使用效果與各生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平關(guān)系非常大，這一現(xiàn)象在液壓行業(yè)尤其明顯，知名廠家的配件和設(shè)備確實有更好的使用效果。因此，在設(shè)計工況復(fù)雜、要求嚴格的管路系統(tǒng)時，還是要尋求專業(yè)廠家合作。