許志倩，閆相禎，楊秀娟，殷曉康，王明達(dá)

(1.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院山東青島 266580;2.中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 引言

隨著天然氣勘探開發(fā)的不斷深入和井下工作環(huán)境的復(fù)雜多變，具有較高氣密性的非API套管接頭在氣井開采中的應(yīng)用日益廣泛。對于API標(biāo)準(zhǔn)接頭密封性能評定，ISO 10400:2007《石油管特性公式和計算公報》［1］中將螺紋接觸面壓力作為密封性能評價指標(biāo)，并給出接頭泄漏抗力計算公式。盡管該方法已為工程應(yīng)用作出很多貢獻，但隨著帶有專門密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋油套管接頭出現(xiàn)和井下工況載荷條件的日益復(fù)雜，其適用性和準(zhǔn)確性嚴(yán)重滯后于工程應(yīng)用［2－3］。目前，國內(nèi)外針對密封性能的研究手段主要基于密封面接觸壓力數(shù)值模擬的間接分析［4－9］。王建東等［10］采用有限元分析方法得到特殊螺紋接頭不同密封結(jié)構(gòu)型式對應(yīng)的密封能力隨載荷變化規(guī)律;高連新等［11］利用有限元技術(shù)和全尺寸試驗相結(jié)合的方法，提出金屬/金屬密封結(jié)構(gòu)型式的選擇與過盈量確定是特殊螺紋油套管接頭密封設(shè)計的關(guān)鍵。

上述研究表明:密封面接觸方式、接觸面積、表面粗糙度和表面處理技術(shù)對密封效果影響顯著。依據(jù)現(xiàn)有評估方法，僅從宏觀角度無法揭示上述因素與密封性能之間的定量關(guān)系。文中利用氣密性試驗結(jié)合彈塑性力學(xué)理論，研究非API套管接頭主密封形成條件及其影響因素。試驗所得結(jié)果可以作為非API套管接頭主密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考依據(jù)。

1 非API套管接頭密封面接觸壓力計算

1.1 主密封結(jié)構(gòu)

非API套管接頭的主密封結(jié)構(gòu)由金屬對金屬的徑向過盈配合實現(xiàn)。密封配合面具有較高預(yù)緊接觸壓力，使兩粗糙接觸面間的波峰、波谷相互穿插、嵌合，微間隙逐漸減小直至配合面吻合，泄漏阻力隨之增大，氣體泄漏量驟減至某一規(guī)定值后不再發(fā)生明顯改變，即宣布套管接頭進入穩(wěn)定密封狀態(tài)。圖1示出錐面/錐面套管密封結(jié)構(gòu)。

圖1 錐面/錐面套管密封結(jié)構(gòu)示意

圖1(a)示出的錐面對錐面主密封結(jié)構(gòu)最為常見，圖1(b)示出了非API套管接頭密封結(jié)構(gòu)的主要工藝參數(shù)。套管內(nèi)徑和接箍外徑可由API規(guī)范查得。錐角由各個制造商決定，其中密封接觸面的直徑和長度是計算接觸壓力密封的重點。

1.2 預(yù)緊壓力計算

特殊螺紋接頭套管主密封面的預(yù)緊壓力是由接箍密封處內(nèi)徑和套管密封處外徑的徑向過盈產(chǎn)生。依據(jù)彈塑性力學(xué)中組合厚壁筒理論［12］，由過盈產(chǎn)生的接觸面壓力計算式為:

式中 pc——過盈產(chǎn)生的密封預(yù)緊壓力，MPa

δ——主密封面配合過盈量，mm

E——材料彈性模量，MPa

D——主密封面處直徑，mm

Di——套管內(nèi)徑，mm

W——接箍外徑，mm

由式(1)可以看出，接觸面壓力與密封面過盈量成正比關(guān)系。當(dāng)接箍外徑和套管內(nèi)徑為定值時，由于套管接頭主密封面存在錐度，使得接觸面直徑隨密封面接觸長度發(fā)生變化，從而引起接觸面預(yù)緊壓力隨之改變。

選用錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋套管接頭，套管外徑7 in.，壁厚9.19 mm，接頭主密封面處過盈量0.3 mm，錐度1∶10，接觸面長度15 mm，相應(yīng)的接箍外徑7.65 in.(194.31 mm)。按照式(1)計算不同套管內(nèi)徑下的密封接觸面預(yù)緊壓力，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同套管內(nèi)徑下的密封面預(yù)緊壓力隨接觸面直徑變化趨勢

可以看出，密封接觸面預(yù)緊壓力隨密封接觸面直徑增加(即在密封面接觸長度范圍內(nèi))呈類拋物線變化;接觸面預(yù)緊壓力最大值位置(即密封接觸面直徑值)隨套管壁厚增加而降低。

1.3 密封面總接觸壓力計算

除了密封接觸面徑向過盈產(chǎn)生的預(yù)緊壓力外，管內(nèi)氣體作用在套管接頭內(nèi)部，同樣會增加密封接觸面壓力。依據(jù)文獻［1］可知，由管內(nèi)氣壓產(chǎn)生的接觸面壓力計算公式為:

式中 Δpc——套管內(nèi)氣體產(chǎn)生的密封面接觸壓力，MPa

pi——套管內(nèi)氣體壓力，MPa

設(shè)井內(nèi)氣體壓力為50 MPa，套管參數(shù)同前，則由內(nèi)壓產(chǎn)生的主密封面接觸壓力如圖3所示。可以看出，由管內(nèi)氣體壓力引起的密封面接觸壓力隨接觸面直徑增加(即在密封面接觸長度范圍內(nèi))而減小;套管壁厚越小、相同接觸面直徑處的接觸面壓力越大。

圖3 不同套管內(nèi)徑下的內(nèi)壓引起的密封面接觸壓力隨接觸面直徑變化趨勢

由此可知，非API套管接頭密封面總接觸壓力為 pc+Δpc。

ISO 10400:2007中規(guī)定套管接頭的密封準(zhǔn)則為:套管內(nèi)氣體壓力(pi)＜密封面總接觸壓力(pc+Δpc)。

2 非API套管接頭主密封結(jié)構(gòu)氣密性試驗

2.1 試件

針對非API套管接頭主密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計可用于氣密性測試的試驗試件，如圖4所示。接箍和套管內(nèi)外徑、主密封面錐度、倒角等加工參數(shù)，參照7 in.特殊螺紋套管接頭設(shè)計尺寸。接觸面預(yù)緊壓力通過密封面過盈量進行控制。

圖4 試件結(jié)構(gòu)示意

2.2 氣密性試驗裝置

利用圖5所示試驗裝置對套管接頭密封試件進行氣體泄漏檢測。該檢測系統(tǒng)主要由密封試件、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和泄漏率檢測系統(tǒng)組成。測量試件密封端安裝撓性護罩用于收集泄漏氣體。撓性護罩與試件間用兩道密封膠和軟管夾進行密封和固定。所有測試參數(shù)均需通過高精度傳感器進行測量，如測試介質(zhì)壓力和泄漏氣體壓力等。泄漏率測量范圍為 10－6～10－3Pa·m3/s，最小泄漏率 10－6Pa·m3/s。

圖5 氣密性試驗測試系統(tǒng)示意

2.3 試驗步驟

(1)根據(jù)試驗要求提供的接觸面預(yù)緊壓力，通過式(1)計算出所需密封面過盈量δ;

(2)如圖4所示，當(dāng)界面A被推送至B位置時，已知密封面錐角α和過盈量δ，由幾何關(guān)系可推出套管嵌入接箍水平深度h(h=δ/sinα);

(3)由式(1)，(2)計算結(jié)果可知，本試驗提供的氣體壓力所產(chǎn)生的密封面接觸壓力與過盈量產(chǎn)生的密封接觸預(yù)緊壓力相比過小可忽略，故此次試驗中所涉及到的“接觸面壓力”均以步驟(1)，(2)獲得接觸面預(yù)緊壓力為準(zhǔn);

(4)依據(jù)試驗要求接觸面壓力值，通過步驟(1)，(2)計算得到套管嵌入接箍水平深度h，在壓力試驗機上通過控制套管壓入接箍深度完成接觸面預(yù)緊壓力施加;

(5)將按照要求在壓力試驗機上完成過盈配合的試件，依據(jù)圖5中所示試驗裝置進行氣密性測試，通過壓力表記錄測試介質(zhì)壓力和泄漏氣體壓力。

3 氣密性試驗測試結(jié)果分析

3.1 密封形成條件測試

試件材料選用H40(套管鋼級)的屈服強度為320 MPa，表1列出彈性變形范圍內(nèi)的試驗參數(shù)。每一個試件進行5個接觸壓力值測試，每個壓力水平施加3個氣體內(nèi)壓。當(dāng)泄漏率顯示穩(wěn)定后記錄測試值。

表1 密封形成條件試驗測試參數(shù)

圖6示出密封接觸面壓力處于彈性范圍內(nèi)時，不同內(nèi)壓下的氣體泄漏率隨接觸面壓力的變化關(guān)系。

可以看出，當(dāng)內(nèi)部氣體壓力為1.0 MPa時，試件最小泄漏率約為0.074 Pa·m3/s;氣體壓力降到0.5 MPa時，最小泄漏率約為0.019 Pa·m3/s;氣體壓力僅為0.2 MPa時，最小泄漏率約為0.005 Pa·m3/s，該值未能達(dá)到氣密封“零泄漏率”(≤10－4Pa·m3/s)標(biāo)準(zhǔn)，視為泄漏。

圖6 不同氣體壓力下泄漏率與接觸面壓力關(guān)系

在金屬塑性變形范圍內(nèi)，圖7示出的氣體泄漏率隨接觸壓力變化關(guān)系與彈性范圍內(nèi)趨勢相似:泄漏率隨接觸壓力增加而減少。當(dāng)接觸壓力大于500 MPa時，氣體泄漏率已接近零泄漏率標(biāo)準(zhǔn)(≤10－4Pa·m3/s)。由此可知，當(dāng)密封接觸面壓力達(dá)到金屬塑性屈服值時，可以為氣體泄漏提供一個有效阻礙屏障，從而提高氣體密封性。此外，從圖7中還可以看出，當(dāng)接觸壓力大于屈服強度值2倍(690 MPa)后，氣體泄漏率受接觸壓力的影響不再顯著。

圖7 接觸面發(fā)生塑性變形時泄漏率與接觸面壓力關(guān)系

3.2 密封面粗糙度影響

分別采用車削、磨削和研磨工藝加工接觸面，對比分析不同表面粗糙度對氣密性能的影響程度，具體測試參數(shù)如表2所示。車削加工表面粗糙度為25 μin.(0.635 μm，相當(dāng)于▽8)，另一試件拋光，表面粗糙度為 12 μin.(0.305 μm，相當(dāng)于▽9)，第三個試件表面研磨，粗糙度高于1 μin.(0.0254 μm，相當(dāng)于▽12)。

表2 密封面粗糙度影響試驗測試參數(shù)

圖8示出不同密封面加工方式下泄漏率與接觸面壓力關(guān)系?？梢钥闯?，在低接觸壓力下，通過研磨接觸面的氣體泄漏率明顯低于車削和磨削接觸面。在接觸壓力較低時，氣體泄漏率受過盈配合金屬表面粗糙度影響程度很大，主要由于在低接觸壓力下，表面越光滑越容易貼合，從而有效降低氣體泄漏路徑，減少總氣體泄漏率。

圖8 不同密封面加工方式下泄漏率與接觸面壓力關(guān)系

3.3 密封面接觸寬度影響

取徑向密封接觸寬度范圍2.5～25 mm，測試相同密封預(yù)緊壓力和氣體壓力下，不同接觸寬度對應(yīng)的氣體泄漏率，測試參數(shù)見表3。

圖9示出不同接觸面壓力下泄漏率與接觸面寬度關(guān)系，可以看出，氣體泄漏率隨接觸寬度增加而降低。這種影響在接觸寬度小于10 mm時較為明顯;當(dāng)接觸寬度大于10 mm后效果不再顯著。顯然，增加接觸寬度可以提高非API套管接頭的氣密性。這一試驗結(jié)果可以應(yīng)用于套管接頭的設(shè)計。

表3 測試參數(shù)

圖9 不同接觸面壓力下泄漏率與接觸面寬度關(guān)系

4 結(jié)論

(1)密封接觸壓力產(chǎn)生彈性變形不足以形成耐高壓的氣密性。金屬對金屬密封只有在接觸面產(chǎn)生塑性永久變形時才能形成可靠的密封，要求接觸面預(yù)緊壓力至少為2倍的金屬屈服強度。

(2)經(jīng)過車削、磨削和研磨工藝加工的接觸面，對氣密性能影響程度不同。表面粗糙度數(shù)值越小的密封面進入穩(wěn)定密封狀態(tài)的速度越快，表面光潔度越高氣密性能越好。

(3)徑向接觸寬度在2.5～10 mm范圍內(nèi)，氣體泄漏率隨接觸寬度增加而顯著降低，10 mm以后接觸寬度對氣密性能影響不大。

［1］ ISO 10400:2007，Petroleum and Natural Gas Industries－ formula and Calculation for Casing，Tubing，Drill Pipe and Line Pipe Properties［S］.

［2］ 李瑞濤，楊美金，王耀鋒，等.特殊螺紋接頭的研究現(xiàn)狀分析［J］.焊管，2009，32(1):11 －14.

［3］ 王新虎，申照熙，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］.石油礦場機械，2010，39(12):45 －50.

［4］ 許志倩，閆相禎，楊秀娟.非API標(biāo)準(zhǔn)Big Omega特殊螺紋接頭連接性能數(shù)值分析［J］.石油礦場機械，2009，38(6):34 －39.

［5］ 黃翠英，張宏，段慶全.地下儲氣庫特殊螺紋套管接頭密封性分析［J］.石油機械，2010，38(5):49 －51.

［6］ DVORKIN E N，TOSCANO R G.Finite Element Models in the Steel Industry，Part II:Analyses of Tubular Products Performance［J］.Computers ＆ Structures，2003，81(8－11):575－594.

［7］ WITTENBERGHE J V，BAETS P D，WAELE W D，et al.Numerical and Experimental Study of the Fatigue of Threaded Pipe Couplings［C］//BREBBIA C A.Surface Effects and Contact Mechanics IX:Computational Methods and Experiments.Southampton，UK:WIT Press，2009:125 －129.

［8］ 王和慧，盧均臣，關(guān)凱書，等.帶接管組合法蘭的強度和密封有限元分析［J］.壓力容器，2012，29(2):22－29.

［9］ 喻健良，張忠華，閆興清，等.高溫下螺栓－法蘭－墊片系統(tǒng)密封性能研究［J］.壓力容器，2012，29(5):5－9.

［10］ 王建東，馮耀，林凱，等.特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)比對分析［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，34(5):126 －130.

［11］ 高連新，金燁，張居勤.石油套管特殊螺紋接頭的密封設(shè)計［J］.機械工程學(xué)報，2005，41(3):216－219.

［12］ 徐秉業(yè)，劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1995:56.