衛(wèi) 棟，易曉明，豐振軍

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065） ＊

非API螺紋特點(diǎn)及檢測(cè)相關(guān)性探討

衛(wèi) 棟，易曉明，豐振軍

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）＊

分析了油套管特殊螺紋的密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺(tái)肩和螺紋形狀，探討了特殊螺紋檢測(cè)方法的特殊性，以及影響特殊螺紋油套管質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以期建立石油天然氣行業(yè)特殊螺紋接頭的檢測(cè)方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

特殊螺紋接頭；密封結(jié)構(gòu)；扭矩臺(tái)肩；螺紋形狀

油套管特殊螺紋接頭與常見的API螺紋接頭相比，在使用性能方面有了很大程度的改善，可以滿足特殊工況的要求［1］。

自1990年以來，我國開始逐步使用特殊螺紋油井管，而且用量越來越大。目前，我國自行開發(fā)的特殊螺紋接頭尚不成熟，各油田使用的特殊螺紋油井管主要依靠進(jìn)口，但特殊螺紋接頭大都是國外各個(gè)生產(chǎn)廠家的專利產(chǎn)品，因涉及到專利權(quán)，長(zhǎng)期以來，我國并沒有制定統(tǒng)一的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而是由各個(gè)生產(chǎn)廠家自行制定檢驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)方法，給油田到貨檢驗(yàn)造成混淆和不便［2－3］。因此，有必要探討特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測(cè)分析方法，使油田用戶對(duì)特殊螺紋接頭有一個(gè)比較清楚的認(rèn)識(shí)，從而把好質(zhì)量關(guān)。

1 油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前，國內(nèi)外已有30多家公司開發(fā)設(shè)計(jì)了110多種特殊螺紋油、套管接頭，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與API螺紋接頭有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)在密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺(tái)肩、螺紋形狀3個(gè)方面。油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)

1.1 密封結(jié)構(gòu)

相對(duì)于API螺紋接頭，特殊螺紋接頭不單依靠螺紋的過盈配合及螺紋脂來起到密封作用，而是增加主密封結(jié)構(gòu)達(dá)到特殊螺紋接頭的多重密封［4－6］。

主密封結(jié)構(gòu)分為彈性密封環(huán)結(jié)構(gòu)和金屬－金屬密封結(jié)構(gòu)2大類。彈性密封環(huán)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可封隔介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部，但在高溫和高腐蝕性介質(zhì)中，其壽命有限，只作為輔助密封或封隔介質(zhì)用。金屬－金屬密封結(jié)構(gòu)是由光滑的金屬表面彈性過盈配合而實(shí)現(xiàn)密封，使接頭氣密封抗力達(dá)到管體極限內(nèi)屈服壓力。

密封結(jié)構(gòu)主要包括：

1） 端面密封結(jié)構(gòu) 按端面在接頭螺紋的位置與軸線的取向分為內(nèi)端面、外端面、中間端面、內(nèi)外端面復(fù)合結(jié)構(gòu)以及直角端面、斜端面結(jié)構(gòu)等。

2） 徑向密封結(jié)構(gòu) 包括內(nèi)徑向、外徑向密封結(jié)構(gòu)。

3） 復(fù)合多重密封結(jié)構(gòu) 由徑向密封結(jié)構(gòu)（內(nèi)或外）與端面密封結(jié)構(gòu)（1個(gè)或多個(gè)）組合。目前油田使用的特殊螺紋接頭主要為復(fù)合多重密封結(jié)構(gòu)。

密封結(jié)構(gòu)的形式是接頭密封的關(guān)鍵，從形式上可分為錐面－錐面密封（NSCC、VAMTM、NEW VAM等）、球面－錐面密封（NKK3SB等）、球面－曲面密封（FOX等）3種，如圖2所示。

從密封面高壓面接觸方式來講，可分為線接觸（NKK3SB等）、面接觸（NSCC等）2種。

圖2 特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)及扭矩臺(tái)肩

1.2 扭矩臺(tái)肩

由于API螺紋接頭上扣位置及扭矩范圍較寬，容易造成使用性能下降。特殊螺紋接頭針對(duì)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)了扭矩臺(tái)肩，主要起扭矩控制作用，使特殊螺紋接頭在耐粘接性、抗壓縮變形方面得到加強(qiáng)；扭矩臺(tái)肩的另一個(gè)作用是控制螺紋和密封干涉量，確保主密封的過盈量在順利實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，還起到保護(hù)主密封的作用。如圖2所示。

扭矩臺(tái)肩按結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)、外臺(tái)肩；直角、斜臺(tái)肩；復(fù)合臺(tái)肩（主、副臺(tái)肩）；臺(tái)階形插銷臺(tái)肩。

1.3 螺紋形狀

為增強(qiáng)特殊螺紋接頭本身的連接強(qiáng)度，特殊螺紋接頭的螺紋通常設(shè)計(jì)為偏梯形螺紋或形狀類似鉤形、楔形的螺紋。采用“全退刀”加工技術(shù)，適當(dāng)減小螺紋螺距和齒高，API BTC接頭螺紋錐度1／16（in／in）或選用比1／16（in／in）大的錐度，以使螺紋應(yīng)力分布更合理。

特殊螺紋接頭的螺距分為不變螺距和變螺距2種結(jié)構(gòu)。特殊螺紋接頭變螺距結(jié)構(gòu)為外螺紋螺距不改變，接箍?jī)?nèi)螺紋為變螺距。內(nèi)螺紋螺距分為3段：中間段與外螺紋螺距相同；靠密封面一側(cè)螺距比中間段螺距小；靠接箍端面一側(cè)螺距比中間段螺距大。通過變螺距，可以克服接箍?jī)?nèi)螺紋端外脹、外螺紋端收縮的傾向，改變了咬合螺紋的應(yīng)力分布，從而提高接頭的連接強(qiáng)度和抗滑脫能力。以特殊螺紋“FOX”扣型為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

特殊螺紋承載面角度對(duì)接頭滑脫有一定的影響，在設(shè)計(jì)上需與牙型高度、螺距、錐度、不完整螺紋長(zhǎng)度（L4）等參數(shù)整體考慮，但承載面角度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響不大。這點(diǎn)可由下式說明，即

式中，θ為承載面角度；μ為接觸表面的摩擦因數(shù)。

當(dāng)承載面角度的正切值小于接觸面的摩擦因數(shù)時(shí)，接頭不會(huì)發(fā)生滑脫。表1為特殊螺紋套管接頭螺紋形狀比較。

圖3 特殊螺紋接頭“FOX”變螺距結(jié)構(gòu)

表1 特殊螺紋套管接頭螺紋形狀比較

2 油井管特殊螺紋接頭檢測(cè)

2.1 油井管特殊螺紋接頭檢測(cè)用量具

從特殊螺紋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，其在設(shè)計(jì)生產(chǎn)上較為復(fù)雜，API接頭檢測(cè)使用的量規(guī)無論是從精度上還是檢測(cè)性能上，都無法滿足其特殊檢測(cè)的需要。因此，各特殊螺紋生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)了許多檢測(cè)特殊螺紋單項(xiàng)參數(shù)的特殊量具，以期對(duì)螺紋質(zhì)量進(jìn)行有效控制。

檢測(cè)量具主要分為板型量規(guī)和表式量規(guī)2大類。板型量規(guī)的特點(diǎn)是測(cè)量時(shí)較為直觀，因其分別標(biāo)出了螺紋形狀和結(jié)構(gòu)的大小極限尺寸，即板型量規(guī)已將螺紋所允許的公差帶直接標(biāo)注在量規(guī)表面，檢測(cè)時(shí)只需將板型量規(guī)與螺紋被檢處直接進(jìn)行比對(duì)，即可判斷其是否合格，檢測(cè)速度大幅度加快，而且不易磨損，如圖4所示。表式量規(guī)以間接測(cè)量法或相對(duì)測(cè)量法檢測(cè)中徑、密封面直徑、螺距、齒高、錐度等螺紋單項(xiàng)參數(shù)，如圖5所示。

圖4 板型量規(guī)

圖5 密封面直徑量規(guī)

需指出的是，由于緊密距測(cè)量用來體現(xiàn)螺紋咬合情況存在一定局限性，而且在檢測(cè)較大管徑緊密距時(shí)所匹配的量規(guī)質(zhì)量較大，容易在旋合過程中造成螺紋部分的損傷，降低了測(cè)量的可操作性，例如管徑＞?244.5mm（9英寸）時(shí)就容易出現(xiàn)此種情況。緊密距測(cè)量尤其不適合于13Cr等特殊材料制成的接頭，因此在特殊螺紋接頭檢測(cè)中，傳統(tǒng)的螺紋量規(guī)緊密距測(cè)量已基本被螺紋中徑的測(cè)量所取代。國外很多公司對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了開發(fā)，最具代表性的為美國GAGEMAKE公司研制生產(chǎn)的MRP量規(guī)，如圖6所示。

圖6 美國GAGEMAKE公司生產(chǎn)的MRP量規(guī)

MRP量規(guī)配合螺紋單項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，能夠較客觀地反映螺紋中徑對(duì)連接性能的影響，測(cè)量重復(fù)性較好，同時(shí)避免了螺紋量規(guī)的系統(tǒng)誤差和傳遞誤差，使測(cè)量精度提高。

2.2 油井管特殊螺紋接頭檢測(cè)項(xiàng)目及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

在特殊螺紋接頭檢測(cè)過程中，檢測(cè)項(xiàng)目相對(duì)于API螺紋接頭相應(yīng)增加。不同種類的特殊螺紋由于設(shè)計(jì)思路的差別，檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法均有所不同，但從油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，其檢測(cè)項(xiàng)目還是密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺(tái)肩、螺紋形狀這3個(gè)最為重要的結(jié)構(gòu)部分。

2.2.1 外觀檢查

重點(diǎn)檢查螺紋區(qū)域和密封輪廓區(qū)域，不得有震顫及有刀痕、刻痕的螺紋出現(xiàn)。帶有嚴(yán)重螺紋損傷的接頭應(yīng)報(bào)廢，輕微的損傷可修整，密封輪廓區(qū)域如有貫穿整個(gè)密封面的點(diǎn)腐蝕、機(jī)械刻痕、凹陷、變形，都會(huì)造成泄漏，應(yīng)報(bào)廢。

特殊螺紋表面都經(jīng)過鍍層處理，在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)連續(xù)數(shù)牙螺紋鍍層脫落，此現(xiàn)象易造成接頭上扣時(shí)的粘連，應(yīng)報(bào)廢。

在特殊螺紋完整螺紋長(zhǎng)度內(nèi)不允許有黑皮扣的出現(xiàn)，檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)黑皮扣處的齒高、中徑易超差。

2.2.2 單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)

2.2.2.1 螺紋中徑

對(duì)于特殊螺紋，螺紋的咬合是靠牙頂、牙底及承載面的接觸來實(shí)現(xiàn)的，螺紋中徑的定義為大小徑的平均值，MRP量規(guī)實(shí)際上是測(cè)量特殊螺紋的外螺紋的大徑和內(nèi)螺紋的小徑，需要配合牙型高度的測(cè)量才可計(jì)算出外螺紋的小徑、內(nèi)螺紋的大徑的偏差值。某特殊螺紋牙型高度偏差與中徑偏差的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。

表2 某特殊螺紋牙型高度偏差與中徑偏差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表2可知，不同的牙型高度偏差對(duì)應(yīng)不同的中徑偏差范圍，螺紋中徑的偏差受牙型高度的限制，牙型高度變小，螺紋中徑也隨之變小。

MRP量規(guī)在測(cè)量特殊螺紋中徑時(shí)，要先確定作用中徑的位置（生產(chǎn)廠家一般會(huì)提供相關(guān)數(shù)據(jù)），要將MRP量規(guī)測(cè)頭中心點(diǎn)位置與作用中徑位置相切，也就是直接測(cè)量作用中徑的大小。但檢測(cè)中存在1個(gè)問題：由于運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)裝卸過程中，管子易發(fā)生碰撞產(chǎn)生變形，尤其是管端變形，但測(cè)量作用中徑的位置離管端較遠(yuǎn)，管端變形后，作用中徑處可能并未變形，在檢測(cè)中，作用中徑合格，而管端變形則被忽視，因此管端的外觀檢查尤其重要?？蓪⒐茏訚L動(dòng)1周，目視檢查有無變形，如有可疑處，可調(diào)整MRP量規(guī)接桿，檢測(cè)該處螺紋中徑有無超差。例如，塔里木油田進(jìn)口某特殊螺紋接頭油井管，用此方法就發(fā)現(xiàn)數(shù)十根管端變形的管子，均按報(bào)廢處理，并獲得賠償。

檢測(cè)中，還需考慮鍍層厚度、鍍層不均勻問題。通常，鍍層會(huì)使外螺紋外徑增大，內(nèi)螺紋內(nèi)徑減小。

2.2.2.2 密封結(jié)構(gòu)

基于特殊螺紋密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在檢測(cè)過程中，特殊螺紋的主密封、副密封相關(guān)尺寸是必檢項(xiàng)目，包括密封面的外觀、密封直徑、密封錐度、密封面長(zhǎng)度等。密封直徑用類似MRP量規(guī)檢測(cè)，通常取密封面任意垂直2個(gè)方向檢測(cè)值的算術(shù)平均值為最終檢測(cè)結(jié)果。但由于密封面本身就容易出現(xiàn)橢圓度的問題，因此按平均值來判斷密封直徑是否合格并不科學(xué)，而按密封面任意方向檢測(cè)值均符合密封直徑公差來判斷是否合格才應(yīng)該是可取的。

2.2.2.3 扭矩臺(tái)肩

考慮到扭矩臺(tái)肩不但起到保護(hù)主密封的作用，而且可提高接頭抗壓縮、抗過扭矩的能力，在檢測(cè)中，首先要確定扭矩臺(tái)肩的形式，采用扭矩臺(tái)肩位置量規(guī)檢測(cè)端面至扭矩臺(tái)肩的長(zhǎng)度。對(duì)于扭矩臺(tái)肩的主臺(tái)肩和輔助臺(tái)肩厚度、高度必要時(shí)也應(yīng)該檢測(cè)。

2.2.2.4 螺紋形狀

特殊螺紋的牙型高度、螺距、錐度屬于常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目，檢測(cè)方法與API BTC螺紋檢測(cè)方法完全相同（可參照美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)——套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范API SPEC 5B，2008年第15版）。其中要注意的是：特殊螺紋的牙型高度、螺距、錐度等單項(xiàng)參數(shù)相對(duì)于API BTC螺紋，其公差帶方面均做了改動(dòng)。有些特殊螺紋的內(nèi)、外螺紋牙型高度有差別，需用不同的牙型高度定位塊來調(diào)整零位，而在螺距、錐度檢測(cè)中，都分別增加了累積螺距、累積錐度的檢測(cè)。特殊螺紋的輪廓可用形狀通過規(guī)粗略檢測(cè)，形狀通過規(guī)完全嵌入特殊螺紋牙形內(nèi)為合格，部分嵌入則為不合格。

2.2.2.5 其他幾何尺寸

需檢測(cè)外螺紋的完整螺紋長(zhǎng)度、鏜孔內(nèi)徑，內(nèi)螺紋的接箍長(zhǎng)度、外徑等相關(guān)幾何尺寸。

3 油井管特殊螺紋量值溯源

量值溯源是通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使檢測(cè)結(jié)果或檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的值能夠與規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來的一種特性。它要求針對(duì)自己檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)量值，主動(dòng)地與上一級(jí)檢定機(jī)構(gòu)取得聯(lián)系，追溯高于自己準(zhǔn)確度（一般遵循1／10或1／3法則）的量值與之比較，確定檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

特殊螺紋檢測(cè)用量規(guī)由于涉及到專利，基本依賴于國外各生產(chǎn)廠家，導(dǎo)致特殊螺紋量值溯源自成體系，處于混亂，甚至于失控的狀況。無法保證生產(chǎn)廠家提供的專用量規(guī)是否經(jīng)過相關(guān)部門檢測(cè)合格、是否在合格有效期內(nèi)、是否進(jìn)行了上一級(jí)的量值溯源等，這一系列問題缺乏必要的公正性和監(jiān)督機(jī)制，導(dǎo)致油田用戶無從知曉，對(duì)廠方提供的專用量規(guī)只能被動(dòng)接受。這些問題的存在無疑將影響到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的正常進(jìn)行以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、公正性，存在嚴(yán)重的安全生產(chǎn)隱患。因此，為確保特殊螺紋量規(guī)量值的準(zhǔn)確性，應(yīng)能夠溯源到國家基準(zhǔn)。在使用前，建議由相關(guān)部門對(duì)量規(guī)先進(jìn)行校準(zhǔn)，經(jīng)確認(rèn)符合要求后，再交付油田使用。中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院特殊螺紋量值溯源體系框圖如圖7所示。

圖7 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院特殊螺紋量值溯源體系框圖

4 結(jié)論

1） 從油井管特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，密封結(jié)構(gòu)、扭矩臺(tái)肩、螺紋形狀這3個(gè)最為重要的結(jié)構(gòu)部分是油井管特殊螺紋接頭檢測(cè)中的重點(diǎn)。

2） 油井管特殊螺紋接頭檢測(cè)應(yīng)使用相應(yīng)的特殊量具，主要分為板型量規(guī)和表式量規(guī)2大類。

3） 用戶在驗(yàn)收油井管特殊螺紋接頭時(shí)，其檢測(cè)項(xiàng)目應(yīng)包括外觀檢查、螺紋單項(xiàng)參數(shù)、幾何尺寸等方面

4） 特殊螺紋檢測(cè)用量規(guī)由于涉及到專利，基本依賴于國外各生產(chǎn)廠家自行提供，導(dǎo)致特殊螺紋量值溯源自成體系。為確保特殊螺紋量規(guī)量值準(zhǔn)確性，在使用前建議由相關(guān)部門對(duì)量規(guī)先進(jìn)行校準(zhǔn)，經(jīng)確認(rèn)符合要求后，再交付油田使用。

5） 建議建立國家統(tǒng)一的特殊螺紋量值溯源體系。

［1］ API Spec 5B，套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范［S］.14版.1996.

［2］ 呂拴錄，張福祥.塔里木油氣田非API油井管使用情況分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（7）：70－74.

［3］ 劉衛(wèi)東，呂拴錄，韓 勇，等.特殊螺紋接頭油套管驗(yàn)收關(guān)鍵項(xiàng)目及影響因素［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（12）：23－26.

［4］ 申昭熙，李 磊，王 鵬.特殊螺紋接頭主要參數(shù)對(duì)密封性能的影響分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（1）：38－41.

［5］ 王新虎，申昭熙，王建東，等.特殊螺紋油管與套管的上扣扭矩構(gòu)成與密封性能研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（12）：45－50.

［6］ 張 林，羅 增，林元華.雙臺(tái)肩螺紋接頭參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（4）：21－23.

Structures Characterize and Measure Method of Premium Connection

WEI Dong，YI Xiao－ming，F(xiàn)ENG Zhen－jun
（Tubular Goods Research Institute，CNPC，Xi’an710065，China）

The thesis established a series of testing methods and acceptance criteria of special oil and gas industry，oil well pipe thread，through non－API OCTG thread structure of the special characteristics of three areas：sealing structure，torque shoulder，thread shape.It also organized the importance of the critical size which affected the quality of special thread oil casing with the particularity of thread detection API methods.

special thread connetion；sealing structure；torque shoulder；thread shape

1001－3482（2012）03－0013－06

TE931.2

B

2011－09－07

衛(wèi) 棟（1974－），男，江蘇宜興人，工程師，主要從事油井管產(chǎn)品研發(fā)及質(zhì)量控制等工作，E－mail：weidong001＠cnpc.com.cn。