無接箍直連型特殊螺紋CB-SF-II 套管的研發(fā)

戴涵洋，敬 磊，高連新

（1. 江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇 常州 213018；2. 華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

油套管螺紋接頭可以分為帶接箍連接式和無接箍連接式。無接箍連接式螺紋接頭又稱為直連型特殊螺紋接頭，其顯著特點(diǎn)是不采用接箍連接，內(nèi)、外螺紋直接加工在鋼管端部。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，直連型特殊螺紋接頭一般可分成兩類：一類是接頭與管體內(nèi)、外徑完全相同，即完全平齊型，如CBFJ、VAM FJL、VAM MUST、SUPER FLUCH 等；一類是接頭較管體外徑大（為了保證通徑尺寸，一般都不進(jìn)行內(nèi)加厚），即加厚型，如VAM SLJ-II、Seal-Lock Semi Flush 等[1-4]。資料顯示，國外各大油井管生產(chǎn)廠家，如法國Vallourec 集團(tuán)、總部位于盧森堡的Tenaris 集團(tuán)、英國Hunting 公司、俄羅斯TMK 公司等都非常重視直連型特殊螺紋接頭的開發(fā)，并且都已經(jīng)開發(fā)了不止一種此類產(chǎn)品，形成了各自的直連型特殊螺紋油井管系列[5-7]。近年來，國內(nèi)也很重視直連型特殊螺紋接頭的研發(fā)，天津鋼管制造有限公司、寶鋼集團(tuán)、江蘇常寶鋼管股份有限公司等都開發(fā)了各自的產(chǎn)品[8-10]。

筆者在綜合考慮了油田使用要求和現(xiàn)有機(jī)床加工能力的基礎(chǔ)上，采用有限元和實(shí)物試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種加厚直連型特殊螺紋接頭CB-SF-II?，F(xiàn)介紹這種接頭的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、全尺寸試驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步開發(fā)更多直連型特殊螺紋接頭提供參考。

1 CB-SF-II 接頭的結(jié)構(gòu)

對于管端完全平齊的直連型螺紋接頭，其突出的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)、外徑完全平齊，最大限度地增大了固井間隙，但是其最大的缺點(diǎn)是連接強(qiáng)度低、抗扭能力差、抗壓縮能力不高。像CBFJ 螺紋接頭，連接效率只有管體的45%～65%，抗扭能力不及API 螺紋。為了提高CBFJ 螺紋的連接強(qiáng)度及抗扭能力，設(shè)計(jì)開發(fā)了CB-SF-II 接頭。

1.1 齒形結(jié)構(gòu)

無接箍直連型特殊螺紋接頭CB-SF-II 的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。CB-SF-II 加工在管材加厚端，管端外加厚，加厚量1.5%D～2.0%D（D 為鋼管外徑）使得接頭外徑略大于鋼管外徑，該接頭由螺紋、扭矩外臺(tái)肩和扭矩內(nèi)臺(tái)肩共同組成。

圖1 無接箍直連型特殊螺紋接頭CB-SF-II 的結(jié)構(gòu)示意

CB-SF-II 的連接螺紋設(shè)計(jì)為鋸齒形，承載面角為-3°～-1°，導(dǎo)向面角為12°～15°。CB-SF-II 與API BC 螺紋齒形對比如圖2 所示。與API BC 螺紋3°的承載面角相比，CB-SF-II 螺紋負(fù)角度的承載面設(shè)計(jì)可以減緩接頭承受拉伸載荷時(shí)產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，避免螺紋滑脫；正角度的導(dǎo)向面則有利于接頭快速對扣，避免螺紋錯(cuò)扣。

圖2 CB-SF-II 與API BC 螺紋齒形對比

CB-SF-II 螺紋的錐度設(shè)置為1 ∶16，螺距4.23 mm（6 牙/25.4 mm），在API BC 齒形的基礎(chǔ)上對齒高及齒寬作相應(yīng)調(diào)整：內(nèi)螺紋齒高1.2 mm，外螺紋齒高0.9 mm。因?yàn)镃B-SF-II 螺紋直接加工在管體上，不適宜采用牙型較高的API BC 螺紋（齒高1.575 mm），設(shè)置較低的內(nèi)、外螺紋齒高，以增加接頭的危險(xiǎn)截面面積，提高接頭連接效率。同時(shí)，將內(nèi)、外螺紋齒高設(shè)置為不同數(shù)值，有利于在嚙合間隙儲(chǔ)存螺紋脂，有利于提升CB-SF-II 螺紋的抗黏結(jié)性能。

1.2 密封結(jié)構(gòu)

由于CB-SF-II 接頭的客戶提出，該接頭應(yīng)用于油井，不含有天然氣，因此無需設(shè)置獨(dú)立的徑向/徑向金屬密封結(jié)構(gòu)，而是設(shè)置了兩個(gè)臺(tái)肩密封，內(nèi)、外臺(tái)肩的設(shè)置能夠同時(shí)防止外部流體和內(nèi)部流體通過接頭進(jìn)入或溢出管柱。

為了提高接頭密封性，防止接頭在較大的拉伸載荷作用下臺(tái)肩分離，接頭設(shè)置了一扣密封結(jié)構(gòu)，將嚙合螺紋小端的第一圈外螺紋齒形加工成與內(nèi)螺紋一樣，從而堵塞螺紋泄漏的螺旋形通道，起到較好的密封效果。同時(shí)，如果需要也可以在內(nèi)螺紋的內(nèi)臺(tái)肩處嵌入密封圈，提高接頭的密封性能。

1.3 扭矩臺(tái)肩

CB-SF-II 接頭設(shè)置有兩個(gè)扭矩臺(tái)肩，即外臺(tái)肩和內(nèi)臺(tái)肩，外臺(tái)肩為主臺(tái)肩（圖1）。理論上講，內(nèi)、外臺(tái)肩同時(shí)接觸最有利，但考慮到加工公差，只能設(shè)置其中一個(gè)臺(tái)肩先接觸，另一個(gè)稍后接觸。通過液壓鉗擰緊螺紋時(shí)，內(nèi)、外螺紋首先接觸，產(chǎn)生一定的徑向過盈后（直徑方向上的過盈量約為0.25 mm），外臺(tái)肩開始接觸，此時(shí)內(nèi)臺(tái)肩還沒有接觸，尚有0～0.03 mm 的間隙；繼續(xù)擰緊，外臺(tái)肩產(chǎn)生軸向過盈，內(nèi)臺(tái)肩開始接觸。因此，外臺(tái)肩承擔(dān)了較多的上扣扭矩，稱為主臺(tái)肩；內(nèi)臺(tái)肩分擔(dān)部分上扣扭矩，稱為輔助臺(tái)肩。兩個(gè)扭矩臺(tái)肩設(shè)計(jì)可提高接頭抗扭能力，避免應(yīng)力集中。

2 有限元模擬

2.1 計(jì)算模型

采用有限元分析軟件ABAQUS 及其前置和后置處理器[11]，建立CB-SF-II 接頭的有限元模型。建立模型時(shí)，進(jìn)行了以下簡化：①接頭材料按照各項(xiàng)同性處理；②幾何模型和邊界條件都是軸對稱的；③接觸運(yùn)算采用庫侖摩擦模型，假定各接觸面的摩擦因數(shù)為0.02[12]。綜合考慮材料、幾何和邊界條件的三重非線性，用牛頓-拉夫遜方法求解單元平衡方程。以P110 鋼級Φ88.9 mm×7.34 mm 規(guī)格鋼管的CB-SF-II 接頭為例，建立接頭的軸對稱有限元分析模型，選用的單元類型為四節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性非協(xié)調(diào)軸對稱單元，為了增加分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在螺紋、臺(tái)肩及圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，具體如圖3 所示。

圖3 CB-SF-II 接頭有限元模型及網(wǎng)格細(xì)分

計(jì)算模型的材料為P110 鋼級，模型的材料特性參考API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》對P110 鋼級油管材料特性的測定。有限元模型中的材料特性見表1。

表1 CB-SF-II 接頭有限元模型中的材料特性

2.2 連接強(qiáng)度分析

一般情況下，由于直連型特殊螺紋接頭的螺紋直接加工在管體上，為控制接頭外徑，管體端部鐓粗量不大，這對螺紋的連接強(qiáng)度有一定的影響，連接效率低是這種接頭的最大弱點(diǎn)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，CB-SF-II 采用鋸齒式螺紋，這樣可防止螺紋發(fā)生滑脫失效，以發(fā)揮材料的最大性能，其危險(xiǎn)截面如圖4 所示，有兩處：一處在外螺紋根部（圖4 所示的A1截面），另一處在內(nèi)螺紋根部（圖4 的A2截面）。設(shè)管體的橫截面面積為A，那么接頭的連接效率為A1/A 與A2/A 中的較小者。為了防止滑脫失效的發(fā)生，需要提高接頭拉伸效率，即需要提高A1和A2截面的面積，將二者的面積設(shè)置得非常接近，采用齒高較低的螺紋，選擇合適的螺紋長度，或采用更平緩的螺紋錐度，都有利于提高接頭連接效率，而對接頭進(jìn)行鐓粗處理是最有效的方法。CB-SF-II 螺紋接頭的加厚量1.5%D～2.0%D 使得接頭外徑略大于管子外徑，這可顯著提高接頭連接強(qiáng)度。

圖4 CB-SF-II 接頭危險(xiǎn)截面示意

以P110 鋼級Φ88.9 mm×7.34 mm 規(guī)格套管的CB-SF-II 接頭為例，接頭外徑95 mm，接頭的危險(xiǎn)截面在圖4 所示A1處，接頭的理論拉伸效率為84%。CB-SF-II 接頭拉伸失效情況如圖5 所示，為拉伸失效前有限元計(jì)算得到的接頭等效應(yīng)力分布?？梢?，拉伸失效前，接頭有兩個(gè)截面應(yīng)力最大，分別為外螺紋上大端的第一牙嚙合螺紋的齒根，以及內(nèi)螺紋上小端的第一牙嚙合螺紋的齒根，正好對應(yīng)于圖4 所示的A1、A2截面。而且，在A1截面，材料的等效應(yīng)力大于A2截面處，說明A1截面是整個(gè)接頭的危險(xiǎn)截面，拉伸失效前此處發(fā)生了最大的塑性變形。從圖5 還可以看到，拉伸失效前整個(gè)接頭變形明顯，內(nèi)、外臺(tái)肩均脫離接觸，驗(yàn)證了接頭拉伸效率為管體強(qiáng)度的84%。

圖5 CB-SF-II 接頭拉伸失效情況

2.3 抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠強(qiáng)度分析

同樣以Φ88.9 mm×7.34 mm 規(guī)格套管CB-SFII 接頭為例，建立有限元模型，研究接頭的抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠強(qiáng)度，結(jié)果如圖6～7 所示。發(fā)現(xiàn)由于接頭經(jīng)過了鐓粗處理，接頭外徑大于鋼管外徑，這使得接頭的抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠強(qiáng)度均大于管體。

圖6 CB-SF-II 接頭抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖7 CB-SF-II 接頭抗外擠壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3 CB-SF-II 螺紋加工與試驗(yàn)

3.1 螺紋加工

對管體兩端做加厚處理，然后利用螺紋數(shù)控車床在加厚部位車削加工出CB-SF-II 螺紋。車削加工生產(chǎn)效率高，是最常用的螺紋加工方法，刀具選用依據(jù)齒形而設(shè)計(jì)的梳刀。

依據(jù)材料特點(diǎn)（高強(qiáng)度、高硬度）和機(jī)床加工能力，經(jīng)多次調(diào)整，得到較理想的螺紋加工方法：①加工螺紋時(shí)，機(jī)床車削轉(zhuǎn)速110 m/min，使用外圓刀粗加工，留表面加工余量0.4 mm，精加工分9刀切削，前8 刀切削量0.20 mm，最后一刀切削量0.10 mm，加工出的螺紋表面光潔度較高，表面粗糙度達(dá)到1.6 μm；②加工臺(tái)肩面時(shí)，先粗加工，加工余量控制在0.35 mm 左右，機(jī)床車削轉(zhuǎn)速約100 m/min，加工進(jìn)給率控制在0.10 mm/r 以下。

3.2 上卸扣試驗(yàn)

選用P110 鋼級Φ101.6 mm×7.8 mm 和Φ88.9 mm×7.34 mm 規(guī)格CB-SF-II 樣管各兩組（內(nèi)外螺紋各兩支），在實(shí)物實(shí)驗(yàn)室擰接機(jī)進(jìn)行了上卸扣試驗(yàn)，試驗(yàn)要求見表2，首先按理論扭矩進(jìn)行上扣，卸扣后未發(fā)生損壞，依次再按理論扭矩的1.3 倍、1.5倍、2 倍進(jìn)行上扣，兩個(gè)規(guī)格樣管均未發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。上卸扣試驗(yàn)完成后CB-SF-II 接頭螺紋形貌如圖8 所示。

表2 CB-SF-II 接頭套管的上卸扣試驗(yàn)要求

圖8 按照2 倍推薦扭矩上卸扣后CB-SF-II 接頭的螺紋形貌

CB-SF-II 接頭的上扣扭矩曲線如圖9 所示?？梢?，CB-SF-II 接頭的扭矩由螺紋和扭矩臺(tái)肩共同承擔(dān)，因此具有較高的抗扭能力；而且該接頭螺紋過盈量設(shè)置合理，扭矩拐點(diǎn)清晰。

圖9 CB-SF-II 接頭上扣扭矩曲線

同時(shí)，P110 鋼級的Φ101.6 mm×7.8 mm 不加厚圓螺紋NU 的最小扭矩為3500 N·m，最佳扭矩為4670 N·m，最大扭矩為5840 N·m；Φ88.9 mm×7.34 mm 不加厚圓螺紋NU 的最小扭矩為3240 N·m，最佳扭矩為4320 N·m，最大扭矩為5400 N·m。由此可見，CB-SF-II 接頭螺紋具有良好的抗黏結(jié)性能，抗扭能力強(qiáng)，大于API NU 圓螺紋抗扭能力，可以很好地滿足油田現(xiàn)場的操作要求。

3.3 內(nèi)壓爆破試驗(yàn)

同樣選用P110 鋼級Φ101.6 mm×7.8 mm 和Φ88.9 mm×7.34 mm 規(guī)格CB-SF-II 樣管各1 組進(jìn)行內(nèi)壓爆破試驗(yàn)，Φ101.6 mm×7.8 mm CB-SF-II 接頭樣管內(nèi)壓性能要求大于101.9 MPa（14780 psi），Φ88.9 mm×7.34 mm CB-SF-II 接頭樣管內(nèi)壓性能要求大于109.6 MPa（15890 psi），內(nèi)壓試驗(yàn)曲線如圖10 所示。內(nèi)壓爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，CB-SF-II 接頭具有良好的抗內(nèi)壓性能，可以更好地適用于油田現(xiàn)場較為苛刻的使用工況。

圖10 CB-SF-II 接頭套管內(nèi)壓試驗(yàn)曲線

4 使用情況

目前，Φ101.6 mm×7.8 mm 和Φ88.9 mm×7.34 mm規(guī)格P110 鋼級CB-SF-II 套管已成功供貨，并均已在長慶油田鄂爾多斯區(qū)塊川平47-20 井成功下井，井深3141 m，使用情況良好，得到了用戶認(rèn)可。

5 結(jié) 語

CB-SF-II 加厚直連型特殊螺紋的成功開發(fā)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、有限元分析、量具設(shè)計(jì)、樣品試驗(yàn)驗(yàn)證到最后批量生產(chǎn)，滿足了設(shè)計(jì)的要求，產(chǎn)品質(zhì)量得到用戶的認(rèn)可，其開發(fā)過程對后續(xù)特殊螺紋接頭的開發(fā)具有借鑒意義。有限元分析結(jié)果表明，CBSF-II 加厚直連型特殊螺紋接頭的應(yīng)力分布合理，連接效率高，不會(huì)發(fā)生螺紋滑脫失效，且接頭的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度均大于管體。CB-SF-II 加厚直連型特殊螺紋接頭的上扣扭矩由連接螺紋、內(nèi)、外扭矩臺(tái)肩共同承擔(dān)，其中外臺(tái)肩承擔(dān)的扭矩更多，為主臺(tái)肩，內(nèi)臺(tái)肩為輔助臺(tái)肩。