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石油套管卓殊螺纹接头密封构造打算办法

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石油套管卓殊螺纹接头密封构造打算办法

  

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  润滑与密封LUBRICATION ENGINEERING Apr 2015 Vol 40 No DOI:103969/ issn0254-0150 2015 04 024 收稿日期: 2014-06-05 作者简介: 李连进 (1960—), 博士,教授, 研究方向为石 油套管设计制造技术及方法、 金属密封技术与方法、 制造过程 仿真计算 E⁃mail: lilianjin@163 com 石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法 李连进 天津商业大学机械工程学院天津300134; 天津钢铁集团有限公司规划部天津300301) 摘要:API 标准石油套管螺纹接头由于结构设计缺陷, 其密封性能不能满足高温高压的使用需要。 提出锥面与圆 弧面配合的特殊螺纹接头密封结构形式, 采用具有辅助密封效果的倒钩抗扭矩台肩, 通过优化选取密封面的锥度、 长度 严格控制密封面的接触压力,保证结构具有良好的密封性能。 全尺寸评价实验结果表明, 该接头的密封性能 达到了使用要求, 说明确定的特殊螺纹密封设计方法是可行的。 关键词: 特殊螺纹接头; 接触压力; 密封性能; 全尺寸实验 中图分类号: TB42 文献标志码: 文章编号:0254-0150 (2015) 4-106-4 DesignMethod SealStructure PremiumThreaded Casing Connections Li Lianjin PengYu LiMu MechanicalEngineering, Tianjin University Commerce,Tianjin 300134, China; PlanningDepartment, Tianjin Iron SteelGroup Co Tianjin300301, China) Abstract: API Standard threaded casing connections can’t meet applicationdemands sealingproperty under hightemperature highpressure structuredesign defect The seal structure premiumthreaded con⁃ nections arcsurface conicalsurface proposed,which adopted barb anti⁃torque shoulder auxil⁃iary seal effect The seal property structurecan strictlycontrol contactpressure sealingface, optimalselection taper,strength, interference sealingface The result full⁃scaletest shows designingpremium threaded seal designedthreaded casing connections meet applicationrequire⁃ ments sealingproperty Keywords: premium connection;contact pressure;seal property;full⁃scale test 随着石油资源的日益紧缺,国内外油田企业逐步 转向海上和地下深层开采, 而高温、 高压以及环保等 自然条件对螺纹密封的要求也越来越高 [1-2] 这使得现在国内外油田广泛使用的系列规范化的 API 标准 石油套管不能满足密封的需要 [3-4] 表现为套管螺纹出现磨损及塑性变形或断裂等问题, 导致套管螺纹接 头早期失效 [5-6] 要求企业必须选择其他的石油套管螺纹密封接头形式。 目前, 有许多关于 API 标准螺 纹的研究成果, 而高温和高压情况下使用的特殊螺纹 设计方面的研究成果较为少见。 为此, 本文作者改进 单纯依靠螺纹过盈配合与螺纹脂封堵实现密封的API 螺纹, 通过采用改进接头的锥面结构、 扭矩台肩、 造误差等措施,利用金属与金属的过盈配合及连接扭 矩控制接触压力, 保证结构和密封的完整性, 这对提 高石油套管接头的密封性能具有重要意义。 特殊螺纹接头密封结构及原理石油套管螺纹标准牙形的轴向剖面如图 cn为螺纹牙顶削平高度, 为螺纹牙高度。螺纹拧紧后, 在螺纹牙 顶和牙底处分别存在有间隙, 形成沿螺纹牙顶和牙 底的螺旋线形渗漏通道, 严重影响了螺纹的密封性 一般API圆螺纹的间隙值高达0 076 mm。 这一 螺纹齿顶和齿底之间存在螺旋形泄漏通道是螺纹设 计的固有缺陷, 它与石油套管螺纹加工公差无关。 API 标准螺纹只有使用螺纹脂充填该通道, 才能堵 塞这一泄漏通道。 石油管螺纹标准牙形Fig Standardthread form casingsconnection 特殊螺纹克服了 API 标准螺纹设计的固有缺陷, 使密封能得到显著改善。 目前广泛采用的特殊螺纹密 封结构如图2 所示, 套管接头分为螺纹、 抗过扭矩台 肩和密封结构面三部分。 螺纹采用偏梯形螺纹, 具有 连接强度高和不易滑脱的优点, 起联结和辅助密封作 起到主密封作用;抗过扭矩台肩防止套管上扣时 的过扭矩, 起辅助密封作用。 这种特殊螺纹接头结构 将螺纹脂充填密封改为接触式密封, 使套管的气密性 能得到显著改善。 特殊螺纹密封结构Fig Sealstructure premiumconnection 套管接头的管体与接头是相对静止的, 密封的条 件是要求接触压力大于内部流体的压力, 提高密封效 果的有力手段是提高接触压力和增加流体泄漏路径。 但实际加工过程中的几何形状误差和表面粗糙度等原 难于获得完全光滑的接触表面;另外载荷的变动 势必会造成接触面压力的变化, 这都会增大接触面的 间隙而增加泄漏量。 基于流体力学, 流体流经间隙时产生的阻力与间 隙的长度成正比, 而与截面积成反比, 可见,要提高套管接头的密封性能主 要有以下4 种方法: 一是增加接触压力, 减小泄漏间 隙的截面积; 二是增加管体与接头的接触长度, 漏间隙的长度增加;三是提高加工精度, 以减小接触 表面粗糙度和几何形状误差; 四是控制轴向载荷的变 动范围, 保持获得必要的接触压力。 密封结构设计国内外有许多种类的特殊螺纹密封结构, 但目前 主要有锥面/ 锥面、 锥面/ 球面、 柱面/ 球面等密封形 如图3所示 [7-8] 特殊螺纹的主要密封结构形式Fig Mainseal structure forms premiumconnection 锥面/锥面密封结构有较长的流体泄漏 路径, 有利于提高密封效果, 但表面粗糙度、 尺寸精 度及锥度误差等会使接触面大为减小, 这在实际制造 上有较大的困难; 锥面/ 球面的密封结构要求内外螺 纹之间有较大的拧紧力, 使球面产生较大的变形量, 保证套管受拉时也有足够的接触压力, 以获得足够的 接触压力和流体泄漏路径; 柱面/ 球面密封结构要求 柱面与球面有较大的装配过盈量, 以保证足够的接触 压力和流体泄漏路径, 以获得较好的密封效果。 但这些方法在设计时都没有考虑各参数对接触应力 的综合影响, 在使用过程中容易出现黏扣和接触不良, 影响产品质量。 本文作者提出的设计方案如图4 所示。 设计的特殊螺纹接头密封结构Fig Thedesigned seal structure forms 李连进等:石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法 密封结构采用锥面与带有圆弧的锥面配合,套管 带有外螺纹, 接头带有内螺纹。 将密封圆弧设计在接 头的内部, 这样在使用过程中不易划伤圆弧面, 同时 避开与现有专利技术的冲突, 并通过控制连接扭矩避 免接触应力产生黏扣和接触不良。 密封面锥度石油套管螺纹接头相当于薄壁圆筒的过盈配合, 圆筒接触面锥度的选择应使其有较高的接触压力, 提高密封性能。当主密封的锥形面和辅助密封的台肩 都有过盈量存在时, 在锥度减小到1 之后,接头接 触面的等效应力较大, 会超过材料的屈服极限, 封面产生塑性变形,使接触压力下降; 而在锥度大于 12之后, 接头接触面的等效应力减小, 使接触压 力下降。 由此可见, 密封面的锥度过大或过小都不利 于接头密封, 密封面锥度的最佳取值范围为 12。本文设计方案取密封面锥度为1 主密封面长度接头的密封要求有较长的密封长度, 以增加泄漏 路径的长度。 当锥形接触密封面的长度较短时, 较小 的接触面积使接触压力较高, 但有效接触长度较短, 导致泄漏路径短; 当锥形接触密封面的长度增加时, 接触压力降低, 但有效接触长度增加。 当锥形接触密 封面的长度超过8 mm mm左右。 同时, 锥度变化对密封面 上的有效接触长度影响不大。 为此, 本文设计方案取 锥形接触密封面的接触长度为9 mm。 锥面圆弧的变形量套管接头锥面上的圆弧变形量直接影响接触压 变形量与接触压力成正比关系。要获得良好的密 封效果, 可通过增加接触变形量来实现。 但接触变形 量增加过大, 会出现塑性变形或接头黏结等。 确定锥 面上圆弧的变形从两个方面考虑, 一是保证最小接触 压力大于套管所承受的最大内压; 二是接触应力小于 套管材料的屈服强度。 变形量与密封面锥度和长度相比, 其对接触性能 的影响较大。 当变形量超过某一数值以后, 接触压力 已接近于套管材料的屈服极限, 若再增加变形量, 触压力也不再增加。在本文设计方案取最佳的变形量 27mm。 制造公差的限定石油套管接头螺纹的主要参数有齿高、 锥度和中径等,公差主要是影响螺纹配合的过盈量, 从而影响接触压力, 降低密封性。 选取较大的公差可 能导致螺纹间隙增大, 降低接触压力, 增大泄漏间隙 的截面积, 影响密封效果; 如果选择较小的公差, 要降低加工效率,提高生产成本。 从螺纹公差控制角 度考虑, 希望在现有加工技术水平条件下, 通过调整 螺纹参数及公差控制, 提高石油套管台肩处的接触压 减小泄漏间隙的截面积,提高密封性能。 本文设计方案中, 外螺纹公差取 4h, 内螺纹公 差取5H。 这在一定程度上可以满足螺纹的密封性能 要求, 又可以兼顾到加工精度及效率的需要。 特殊石油套管的连接扭矩在螺纹连接过程中, 如果扭矩过大, 容易出现螺 纹黏扣及材料屈服现象; 如果扭矩过小, 则使接触压 力减小, 轴向载荷的变动会产生因接触压力不足而出 现的泄漏。 为此, 本文作者提出通过扭矩控制接触应 力的方法, 综合考虑各因素对接触应力 (压力) 影响,解决现有设计方案的不足, 提高套管接头的密 封性能。 拧紧石油套管相当于推动物体在斜面上运动, 其扭矩大小为 等处的假想圆柱面的直径,近似等于螺纹的平均直 螺纹升角φ为在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂 直于螺旋线轴线的平面的夹角; 螺纹当量摩擦角 是摩擦因数的逆正切角度;轴向力 为作用于石油套管轴向的力, 包含石油套管的自重。 一般接头材料要好于套管材料或两者的材料相同,在此假设套管和接头的弹性变形相同。 为简单起见, 将接头 (内螺纹) 一圈螺纹沿螺纹大径处展开, 即可 视为一悬壁梁, 每圈螺纹承受的平均压力Q 的圆周上,则螺纹牙中径的弯曲变形量为 为螺纹牙高度(弯曲力臂), 为与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱体的直径, 在有关螺纹的标准中称为公称直 为与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱体的直径, 是螺纹的最小直径; 螺纹牙 润滑与密封第40 拧紧石油套管的外圆锥螺纹沿着接头的内圆锥螺纹运动, 相当于螺旋推动套管挤压进入接头, 其轴向 力与挤压力之间的关系为 为两圆锥体之间的接触变形力。 圆锥的挤压力计算公式为 为套管与接头的接触面积。 套管圆锥扭矩T 当石油套管头部的止力矩环与接头的止力矩环相互接触时, 两者之间将发生圆环状接触, 其产生的轴 急剧增大,并趋于无穷大。 台肩扭矩T 管止力矩环的外径。止力矩环的挤压力计算公式为 为套管止力矩环与接头止力矩环接触后的移动距离。 在计算时, 一般不考虑台肩扭矩。 在实际套管连 接作业时, 扭矩突增 20%就认为套管和接头的止扭 矩环已经接触, 作业合格。 石油套管的连接扭矩拧紧石油套管螺纹的扭矩为各扭矩之和, 石油套管最大扭矩的确定原则,拧紧过程中石油 套管 (或接头) 的螺纹表面的应力不得超过材料屈 服极限σ 的80%,确保轴向载荷变动时不超过材料 的屈服极限。 全尺寸实验在螺纹接头的设计中, 进行全尺寸实验是检验设 计结果的重要方法。 本文作者利用专用数控螺纹加工 机床, 在P110 尺寸规格为ϕ244 48 mm13 84 mm 的石油套管上加工了设计的特殊螺纹, 选择5 头和10根套管试样, 共10 组螺纹配合形式, 10 纹配合包含密封变形量可能出现的几种情况,使其具 有代表性, 实验按API RP 5C5 标准进行。 实验项目主要有螺纹参数检测、 上下扣试验、 密封试验及水密封试验。试验结果表明, 该接头的检 测结果符合要求, 上下扣与密封试验达到了规定的要 与同钢级和规格的圆螺纹及偏梯形螺纹石油套管相比具有很大的密封优势。 目前该石油套管已经在新 疆油田、 四川油田、 长庆油田等的超深井中使用, 提出的特殊螺纹接头设计方案采用锥面与圆弧面配合的密封结构形式, 采用金属与金属的接触 变形形式, 相比传统的 API 螺纹密封结构具有良好 的密封性能。 密封结构设计的准则是要保证密封面具有足够的接触压力, 防止接触应力过大发生黏扣和塑性 变形的方法就是控制密封锥面圆弧的接触压力为材料 屈服强度的80%左右。 抗扭矩台肩取反向角度能起到良好的辅助密封效果, 同时可以起到防止石油套管和接头拧紧作 业过程中的过载, 按石油套管最大扭矩的确定原则, 要求拧紧时的螺纹表面应力不超过许用应力的80%。 参考文献 李军,陈勉,张辉.定向井套管应力随地应力条件的变化规 律研究[J].石油学报,2005,26(1):109-112. Li Jun,Chen Mian,Zhang Hui.Study varyingrules casingstress directionalhole in⁃situstress conditions[J]. Acta Petrolei Sinica,2005,26(1):109-112. 陈国明,殷志明,许亮斌,等.深水双梯度钻井技术研究进展[J].石油勘探与开发,2007,34(2):246-251. Chen Guoming, Yin Zhiming, Xu Liangbin, et al. Review deepwaterdual gradient drilling technology[J]. Petroleum Ex⁃ ploration 杨智春,李斌,史交齐.特殊扣套管接头的应力及密封特性 分析[J].机械科学与技术,2004,23(7):771-776. Yang Zhichun,Li Bin,Shi Jiaoqi. Stress andsealing property premiumthreaded connection[ MechanicalSci⁃ ence 李勇,廖锐全,张慢来,等.特殊扣油管接头的应力及密封特性分析[J].石油机械,2011,39(4):35-37. Li Yong,Liao Ruiquan,Zhang Manla,et al. An analysis sealcharacteristics premiumtubing connection [J].China Petroleum Machinery,2011,39(4):35-37. (下转第114 李连进等:石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法 淀或分层现象, 能够保证机组的平稳运行, 可以满 足冷轧生产工艺的需要。 同时, 对冷轧生产设备未造 成不良影响。 机组减少了轧制黑油现象,在大压下下仍 能保证良好的轧制清净性。 轧制力下降10%~20%,大大降低了轧制用 电量。 轧制表面光亮度、退火清净性、 防锈性、 使用稳定性均较好。 通过调节乳化剂体系各组分的比例和含量可以有效控制乳化液的颗粒度分布, 乳化液的颗粒度 分布与其稳定性存在一定的对应关系。 在一定体积平均粒径值范围内,随着颗粒 度的增大冷轧用乳化液的极压润滑性能增强, 能有效 降低冷轧机组的综合能耗, 同时获得好的冷轧成品板 面质量。 参考文献 冷轧钢板轧制乳化液的研制[J].润滑与密 封,2009,34(8):79-84. Qin Henian,Luo Yu. Researchon cold⁃rolling emulsion steelsheet[J].Lubrication Engineering,2009,34(8):79-84. 王新海.轧制油乳化液的分析与研究[J]. 钢铁研究,1994 (6):23-26. 王一助,孙建林,王士庭,等.纳米添加剂对板带钢冷轧乳化液润滑性能的影响[J]. 武汉科技大学学报:自然科学版, 2010,33(2):33-36. Wang Yizhu,Sun Jianlin,Wang Shiting,et al.Effect nanoad⁃ ditives rollingemulsion stripcold rolling [J].Journal WuhanUniversity Technology:Natural Science Edition, 2010,33(2):33-36. 孙建林.轧制工艺润滑原理、技术与应用[M]. 北京:冶金工业出版社,2010. 冷轧乳化油对带钢表面清洁度的影响[J].石油炼制与化工,2008,39(11):43-47. Cai Wentong,Sun Jianlin,Zhao Yongtao, et al. 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