直連型套管外臺肩縫隙的封堵設(shè)計

駱敬輝，黃永智，陳玉鵬，閆龍

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

直連型是一種不帶接箍的套管連接形式，裝配后的整體外徑與套管本體相同而相比常規(guī)帶接箍套管要小，能夠適用于特定的工況需求。例如，修井時需要利用原有井眼，要求套管能夠順暢通過，而帶接箍的套管的接箍外徑不能滿足該要求，因此必須使用直連型套管。另一方面，在固井過程中，井眼與管柱外壁之間的間隙有限，水泥上返困難，不帶接箍的直連型套管則大大增加了環(huán)隙空間，便于下井和固井[1-8]。

1 存在的問題

直連型的套管接頭存在多種連接設(shè)計形式，包括純直連型、半直連型、鐓粗直連型等外觀形式，由于直連型套管接頭內(nèi)外螺紋具有等外徑的特點，因此該類型套管接頭至少具有內(nèi)外兩副臺肩結(jié)構(gòu)。根據(jù)機械設(shè)計理論，在同一方向上，為了防止定位干涉，當兩個零件存在臺階式的接觸面，其有效接觸面不能大于一對臺肩。由于加工誤差的原因，兩對臺肩的接觸面不可能同時接觸，為了保證接頭金屬密封的絕對優(yōu)勢并達到其設(shè)計性能，多臺肩結(jié)構(gòu)的直連型套管接頭就需要避免定位干涉。軸線方向的兩對臺肩是過定位結(jié)構(gòu)，裝配后只能有一對臺肩實現(xiàn)完全對頂，非關(guān)鍵臺肩進行間隙設(shè)計才能避免定位干涉。對于內(nèi)外雙臺肩的直連型套管接頭，外螺紋長于內(nèi)螺紋，裝配后外螺紋內(nèi)臺肩與內(nèi)螺紋內(nèi)臺肩對頂而外螺紋外臺肩與內(nèi)螺紋外臺肩之間存在間隙，直連型套管連接如圖1所示。

圖1 直連型特殊螺紋套管連接示意

在腐蝕環(huán)境下的石油套管，其接頭部分容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，尤其是直連型套管的外臺肩處，由于存在縫隙，腐蝕性介質(zhì)會輕而易舉地侵入接頭內(nèi)部。在腐蝕理論中，間隙中金屬離子濃度或溶氧濃度與間隙周圍的濃度存在差異會引起電化學反應(yīng)，由于這種腐蝕的自催化反應(yīng)過程，間隙內(nèi)金屬氯化物水解，使pH降低很快而加速金屬的溶解[9-12]。

直連型套管擰接后的外表面存在間隙，通常間隙小于2 mm，腐蝕性介質(zhì)很容易從間隙侵入接頭內(nèi)部，接頭內(nèi)部的旋合螺紋存在配合間隙（齒頂與齒側(cè)），其間隙通常小于0.1 mm，這是間隙腐蝕發(fā)生的地方，在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中形成間隙腐蝕，若這種間隙環(huán)境內(nèi)侵入腐蝕性介質(zhì)，必然會加劇間隙腐蝕程度，從而加速接頭的失效，對套管接頭的整體安全性產(chǎn)生不利影響。

2 解決的方案

聚四氟乙烯（PTFE）材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗老化等特性，由其制成的密封圈具有良好的物理、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠在-200～300℃正常工作。在平面靜密封裝置中，密封圈的變形量可達30%。為了提高PTFE材料的硬度及耐磨性，通常采用兩種方法進行填充改性處理：一種是無機物填充改性，在PTFE里加入玻璃纖維、碳素纖維、石墨、二硫化鉬等；另一種是有機物填充改性，在PTFE里加入聚苯酯、聚苯硫等。通過改性處理，可使PTFE材料的耐磨性能提高2 000倍，同時提高其剛性及導(dǎo)熱性，達到高壽命要求[13-14]。

以PTFE材質(zhì)的密封圈作為直連型特殊螺紋套管外臺肩設(shè)計間隙的填充物，對臺肩間隙進行封堵，有利于提高接頭的整體安全性。通過合理地計算確定密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以保證接頭的密封能力及抗過扭能力不降低，而密封圈完全封堵了臺肩間隙，阻止了外部腐蝕介質(zhì)的侵入，起到了更好保護接頭的作用。

3 密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

為了保證PTFE密封圈在接頭擰接過程中的穩(wěn)定性，即密封圈在受壓變形時不至于被擠出，外螺紋臺肩與內(nèi)螺紋臺肩所形成的間隙空間要內(nèi)寬外窄，外臺肩間隙如圖2所示，這樣梯形結(jié)構(gòu)的密封圈被擠壓時受力向內(nèi)。例如，外螺紋臺肩為斜臺肩，內(nèi)螺紋臺肩為直臺肩，間隙形成直角梯形結(jié)構(gòu)，外螺紋斜臺肩的角度α為20°～30°。

圖2 外臺肩間隙示意

密封圈的截面形狀需要與臺肩間隙相匹配，臺肩的柱面外徑D略小于密封圈內(nèi)徑d，相差0.1～0.3 mm；外螺紋臺肩圓角R與密封圈圓角r滿足R≤r，其中，R=0.5 mm，r=1.0 mm?？紤]到擠壓變形時密封圈的外徑會增大，臺肩高度H與密封圈寬度h滿足H h，H-h=1.0～1.5 mm，如圖3所示。

圖3 密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

服役中的密封圈處于壓應(yīng)力狀態(tài)填充縫隙，在裝配前，密封圈的靜態(tài)厚度要比臺肩設(shè)計間隙略大，彈性的壓縮變形才能維持這種接觸應(yīng)力。另外，密封圈本身還要具有一定的厚度，以便于安裝固定，這就需要通過計算來確定密封圈的初始厚度t。

材料彈性模量一般定義為單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以該方向的應(yīng)變，即：

式中E——密封圈抗壓縮彈性模量，MPa；

F——密封圈與臺肩之間的接觸力，N；

S——密封圈與臺肩之間的接觸面積，mm2；

t1——臺肩設(shè)計間隙，mm；

Δt——密封圈的軸向變形量，mm，Δt=t-t1；

σ——密封圈與臺肩之間的接觸應(yīng)力，MPa。

由公式（1）可推導(dǎo)出密封圈變形量與接觸應(yīng)力之間的關(guān)系：

式中P——介質(zhì)壓力，MPa；

k——安全系數(shù)，根據(jù)工況確定。

密封圈與臺肩之間的接觸應(yīng)力σ體現(xiàn)了密封圈的封堵能力，密封圈的彈性壓緊變形量Δt直接影響接觸應(yīng)力σ。因此，根據(jù)接頭的工況情況就可以計算出密封圈的初始厚度t。

接頭擰接前安裝密封圈，隨著螺紋旋入，臺肩緩慢靠近，由于密封圈的厚度t大于臺肩設(shè)計間隙t1，密封圈受外螺紋臺肩與內(nèi)螺紋臺肩擠壓變形直至接頭內(nèi)部的定位臺肩完全對頂而停止。

PTFE密封圈屬性與金屬材質(zhì)存在根本不同，鋼鐵材料的抗壓縮彈性模量是206 000 MPa，PTFE密封圈的抗壓縮彈性模量是280 MPa（是鋼鐵材料的0.001 36%），兩種材料的抗壓縮強度差異巨大。因此，當兩種材料在相互擠壓作用時，可以認為接觸變形都發(fā)生在密封圈上，而外臺肩不會因為受阻變形。在裝配過程中，外螺紋臺肩與內(nèi)螺紋臺肩擠壓密封圈而產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力，彈性的密封圈不會對接頭的金屬密封過盈和對頂臺肩達到設(shè)計要求產(chǎn)生消極影響。因此，密封圈受壓變形的阻力對金屬材料的影響可以忽略不計。

4 密封圈結(jié)構(gòu)的確定

密封圈本身具有一定的強度與充分的變形量，可以提供足夠的接觸應(yīng)力，密封圈的最終厚度即為臺肩間隙寬度。直連型套管接頭內(nèi)臺肩是對頂臺肩，密封圈設(shè)置在套管外臺肩處，如圖4所示，外螺紋連接長度L1，內(nèi)螺紋連接長度L2，則臺肩間隙t1=L1-L2，密封圈軸向變形量Δt=t-t1；則由公式（2）可得：

圖4 直連型套管密封圈裝配示意

密封圈抗壓縮彈性模量E已知，根據(jù)工況確定合適的安全系數(shù)k及外界壓力P，由接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計可確定臺肩間隙寬度t1，根據(jù)公式（3）可計算出密封圈的最小厚度t。

Φ177.8 mm（7 in）某直連型套管接頭為單段螺紋結(jié)構(gòu)，其外螺紋連接長度L1為123 mm，內(nèi)螺紋連接長度L2為120 mm，螺紋兩端設(shè)計了臺肩結(jié)構(gòu)，在內(nèi)臺肩位置設(shè)計了錐形金屬密封面。外螺紋長度大于內(nèi)螺紋長度，裝配后，接頭實現(xiàn)內(nèi)臺肩完全對頂定位及金屬密封過盈，外臺肩存在設(shè)計間隙t1為3 mm。接頭外部的腐蝕環(huán)境壓力20 MPa，安全系數(shù)k取1.8，使用PTFE硬質(zhì)密封圈進行間隙封堵，根據(jù)公式（3）可計算出密封圈的最小厚度t為3.44 mm。

根據(jù)臺肩間隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)（柱面外徑D、臺肩高度H、臺肩圓角R以及斜臺肩的徑向夾角α）繼續(xù)確定相匹配的密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)：密封圈內(nèi)徑d=D+0.1 mm；密封圈寬度h=H-1 mm；密封圈圓角r=1.0 mm（R=0.5 mm）；密封圈斜腰徑向夾角α=25°；密封圈厚度t=3.8 mm（t≥3.44 mm）。

外螺紋外臺肩柱面套入密封圈，隨著螺紋旋入，密封圈受外螺紋臺肩與內(nèi)螺紋臺肩擠壓變形直至內(nèi)臺肩完全對頂而停止。密封圈被擠壓變形到設(shè)計間隙3 mm，其壓縮變形量21%，密封圈在臺肩間隙形成接觸壓應(yīng)力σ為60 MPa，能夠有效地封堵外界腐蝕性介質(zhì)侵入。

5 應(yīng)用實例

將上述方法在Φ90 mm×10 mm鋁合金直連型接頭上進行驗證，接頭結(jié)構(gòu)如圖5所示，接頭的金屬密封及定位臺肩設(shè)計在內(nèi)部，為了保證密封結(jié)構(gòu)的充分接觸，在接頭外部設(shè)計間隙3 mm，應(yīng)用上述計算方法對間隙進行密封圈填充。

圖5 試驗用接頭結(jié)構(gòu)示意

按上述方法進行密封圈的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計計算，安全系數(shù)k取1.3，介質(zhì)壓力P為50 MPa，臺肩間隙寬度t1為3 mm，將參數(shù)代入公式（3）可求得密封圈初始厚度t≥3.91 mm，再進一步設(shè)計密封圈其他參數(shù)。密封圈厚度t取4.0 mm，密封圈內(nèi)徑d為90 mm；密封圈寬度h為4.5 mm；密封圈斜腰徑向夾角α為25°。隨著螺紋旋入，密封圈被擠壓變形到設(shè)計間隙3 mm，其壓縮變形量25%，密封圈在臺肩間隙形成接觸壓應(yīng)力σ為70 MPa，安全系數(shù)達到1.4。

將設(shè)計的增強型密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于該直連型特殊螺紋接頭，應(yīng)用實例如圖6所示，白色部分為密封圈。在隨后的接頭擰接中，密封圈相應(yīng)變形，接頭拐點明晰，接頭上扣曲線如圖7所示。

圖6 密封圈應(yīng)用實例

圖7 接頭上扣曲線

接頭在水介質(zhì)中進行了抗外壓驗證，分段加載并保壓一定時間，試驗方案見表1，加載曲線如圖8所示。壓力達到密封圈的計算封堵能力時保壓20 min，卸扣后發(fā)現(xiàn)螺紋內(nèi)部沒有水滲入，表明密封圈設(shè)計性能達到使用要求。

表1 接頭抗外壓試驗方案

圖8 抗外壓加載曲線

6 結(jié)語

針對直連型套管的其他設(shè)計，如外對頂內(nèi)間隙設(shè)計或中間對頂?shù)碾p段螺紋設(shè)計，在需要封堵的地方也可以應(yīng)用該方法進行密封圈的設(shè)計。應(yīng)用PTFE密封圈對直連型套管的外臺肩間隙進行封堵，并對密封圈進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在腐蝕性的外部環(huán)境下，能夠防止腐蝕性介質(zhì)侵入接頭內(nèi)部，有利于套管接頭的安全。