柳玉偉,張 軍,陳玉鵬,黃永志

(天津鋼管集團股份有限公司技術中心,天津 300301)

基于BTC齒形的螺紋連接強度計算方法淺析

柳玉偉,張 軍,陳玉鵬,黃永志

(天津鋼管集團股份有限公司技術中心,天津 300301)

簡要介紹了API標準中BTC扣螺紋連接強度的計算方法,引入了兩種螺紋強度的計算公式,結合機械制圖軟件,給出計算螺紋連接強度的新方法。

螺紋;螺旋線長度;強度

1 引言

BTC螺紋的連接強度性能參數(shù)對于石油行業(yè)在使用油井管下井過程中非常重要,關于如何計算螺紋的連接強度,公式(1)給出了根據(jù)API 5C3相應的經驗計算公式[1],公式(2)為管體的連接強度計算。

其中:Pj—螺紋連接強度,N;

P—管體連接強度,N;

Yp—管體最小屈服強度,N/mm2;

Up—管體最小抗拉強度,N/mm2;

Ap—平端管橫截面積,Ap=0.785 4(D2-d2),mm2;

D—管體外徑,mm;

d—管體內徑,mm。

由公式(1)和公式(2)的計算方法,表1列出幾種規(guī)格的管體連接強度和螺紋連接強度數(shù)據(jù)比較。

從表1可以看出,同一規(guī)格不同鋼級情況下,管體的連接強度有時大于管體螺紋連接強度,有時小于;在API 5C3[2]標準中也指出公式(1)是基于151根BTC套管試驗回歸分析得出的經驗公式,試驗的套管尺寸范圍在114.3～508 mm之間。

由統(tǒng)計學原理得到的經驗公式(1),油田已經使用多年,為了更加精確地計算連接強度,需要歸納總結出新的理論計算公式。

2 螺紋連接強度計算方法簡要解析

BTC螺紋屬于在鋼管外表面根據(jù)1∶16錐度車絲API齒形得到,見圖1、圖2。

由圖1和圖2可以看出,管體螺紋的連接性能主要取決于螺紋承載面積的多少,螺紋承載面積如果大于管體的橫截面積,必然導致螺紋的連接強度高于管體的連接強度,通過公式(2)可以求解出管體的連接強度,連接強度公式主要參數(shù)就是管體的屈服強度和管體的橫截面積,在同一材質上管體和螺紋的屈服強度一致,現(xiàn)在需要求螺紋的承載面積,有兩種方法。

表1 根據(jù)公式(1)和公式(2)計算的連接強度P和Pj

圖1 BTC螺紋接頭剖面

圖2 BTC螺紋接頭示意

其中:Al1、Al2—螺紋承載面積,mm2;

λg—不完整螺紋部位螺旋線長度,mm;

λl7—完整螺紋部位螺旋線長度,mm;

h—BTC螺紋齒高,1.575mm;

l7—完整螺紋長度,mm;

g—不完整螺紋長度,mm;

E7—螺紋l7部位節(jié)徑尺寸,mm;

t—螺紋的螺距,mm。

最后得到螺紋連接強度:

其中:Pl—螺紋的連接強度,mm;

Al—根據(jù)公式(3)和公式(4)計算得到的螺紋

承載面積,mm2;

Yp—管體最小屈服強度,N/mm2。

3 計算機制圖法計算螺旋線長度λ

結合API 5B中螺紋尺寸參數(shù),見表2[3],利用計算機繪圖軟件畫出節(jié)徑位置螺旋線尺寸,通過測量得出長度值,見圖3所示。

表2中:

D4—大端直徑,mm;

g—不完整螺紋長度,mm;

L7—完整螺紋長度,mm;

L4—管端到螺紋消失點總長度,mm;

E7—中徑尺寸,mm;

J—機緊后管端到接箍距離,mm;

Jn—手緊后管端到接箍距離,mm;

A1—管端到三角形標記長度,mm;

A—手緊緊密距牙數(shù);

Q—接箍鏜孔直徑,mm;

Lc—從管端起完整螺紋最小長度,mm。

4 根據(jù)公式計算進行比較

根據(jù)給出的公式(3)和公式(4),從已知表2數(shù)值代入兩個公式,見表3,結合計算機制圖法,與公式(1)計算結果進行比較。根據(jù)表4計算結果顯示,根據(jù)公式(3)和(4)計算的螺紋連接強度遠遠大于API給出的經驗公式計算的連接強度值。

表2 BTC螺紋尺寸參數(shù)

圖3 通過計算機繪圖軟件查詢結果

表3 計算螺紋承載橫截面積

表4 螺紋連接強度對比

5 結論

通過對API 5B螺紋連接強度公式的描述,進一步歸納出螺紋強度公式的其他計算方式,通過計算比較發(fā)現(xiàn),API BTC螺紋的連接強度遠遠大于管體強度,可以安全使用。此外文中歸納的公式(3)和(4)兩種求螺紋螺旋線長度的方法也適用于其他螺紋接頭設計參考使用。

[1] 美國石油學會.API SPEC 5CT 9thSpecification for Casing and Tubing.套管和油管規(guī)范[S],2012-1-1:28.

[2] 美國石油學會.APITR 5C3-2008 Technical Report on Equations and Calculations for Casing,Tubing,and Line Pipe Used as Casing or Tubing;and Performance Properties Tables for Casing and Tubing.套管、油管和鉆桿和輸送管性能的計算和公式通報,2008-12:52 -53.

[3] 美國石油學會.API SPECIFICATION 5B 15thSpecitication for Threading,Gauging and Thread Inspecion of Casing,Tubing,and Line Pipe Threads.套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范[S].2008.

Analysis of Strength Calculation Methodfor BTC Thread Connection

LIU Yuwei,ZHANG Jun,CHEN Yupeng,HUANG Yongzhi
(Technology Center,Tianjin Pipe Corporation,Tianjin 300301,China)

A briefly calculation method of the thread joint strength according to API 5C3 Standard is introduced in this paper.Combined with the CAD software,two new formula of the thread joint strength are given.

thread,helix length,strength

TG62

A

1001-5108(2017)03-0046-03

柳玉偉,工程師,主要從事特殊扣螺紋接頭的研發(fā)工作。