特殊螺纹接头密封结构比对分析

特殊螺纹接头密封可靠性数值分析申昭熙王鹏李磊（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安市电子二路32号，710065）作者简介：申昭熙，男，1976年1月出生，籍贯河南范县，中级工程师。

2004年毕业于西安交通大学，硕士，现从事石油套管和油管的使用性能检测、适用性评价研究、管柱的可靠性分析及完整性管理等，E-mail: tzyshenzhaoxi@。

摘要：对带金属对金属密封结构的特殊螺纹接头来说，保证接头的密封可靠性是很重要的。

由于实际加工的接头参数是在一个范围内变化的，所以金属密封面上接触压力也是变化的。

本文建立了利用有限元概率分析功能研究密封面上接触压力分布的方法，分析了特殊接头在锥度、密封直径、载荷等多个参数随机变化条件下的密封面接触压力的分布，计算了密封可靠性。

结果显示不合适的螺纹参数匹配将导致密封面在拉伸载荷作用下失去密封能力。

使用本文的特殊螺纹接头可靠性分析方法有助于优化螺纹密封结构与参数加工公差设计，进行管柱的可靠性设计与剩余寿命评估，提高接头的密封可靠性。

组合关键词特殊螺纹接头，密封直径，有限元分析，接触压力中图分类号：O21，TE3Simulation analysis of seal reliability of premium connectionShen Zhaoxi, Wang Peng, Li Lei(Tubular Goods Research Center of CNPC, Xi’an, 710065)Abstract: For premium connection with metal-metal seal, the reliability of seal if very important. In fact, the geometric parameters of connection vary in the determined scope which leads to the variation of contact pressure on the seal surface. This paper established the research method of contact pressure distribution with finite element analysis and calculated the reliability of premium connection seal. The result shows the improper combination of geometric parameters will bring the zero contact pressure to the premium connection seal surface under tension load, this is to say, the connection has lost the seal ability. The reliability analysis will help to optimize the design and machining tolerance of premium connection structure, analyze the reliability and residual life of tubing and casing string and improve the seal reliability of premium connection.Key words: premium connection, seal diameter, finite element analysis, contact pressure1、引言由于结构上的原因，APl螺纹接头的气密封性能、抗扭矩及压缩载荷的性能较差，不适用于有高气密封要求或复杂工况的深井超深井。

107中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2020.02 （上）随着石油工业的发展，尤其是深井、超深井、高压气井、定向井的开发以及高含硫气井的开采，对石油套管的使用性能不断提出了更高的要求。

CLS 特殊螺纹套管接头具有高抗扭性能，在恶劣工况下仍有良好的使用效果，在CLS 螺纹套管上开展气密性能研究，可以有效应对海上气田的应用要求。

本文在保证原CLS 螺纹套管高抗扭结构上开展气密结构研究，并通过有限元的方式对不同气密结构进行计算分析，最后给出了气密结构选择的方向建议。

1 气密结构设计影响螺纹接头密封性能的因素较多，密封结构形式是重要因素之一。

目前，国内应用的密封结构形式主要有锥面-锥面、球面-锥面、柱面-球面等密封形式，如图1所示。

本文选取锥面-锥面和球面-锥面这两种密封结构形式利用有限元进行分析。

a）锥面/锥面 b）锥面/球面 c）柱面/球面图1 特殊螺纹的主要密封结构形式CLS 特殊螺纹接头气密结构研究及有限元分析秦双双，王儒朋（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）摘要：为保证石油套管接头在高温、高压和强腐蚀工作环境下的密封完整性，常采用金属对金属的密封方式。

本文对比了两种不同的主密封结构形式——锥面-锥面和球面-锥面，通过有限元计算开展了分析工作，为CLS 特殊螺纹的气密结构优化提供了新的方向。

关键词：密封结构；金属对金属密封；密封性能；有限元中图分类号：TE931.2 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2020）02（上）-0107-022 气密结构有限元计算分析方向密封面应力及接触压力分析2.1 有限元模型的建立CLS 接头材料采用L80-3Cr，锥面-锥面接头密封面处的锥度为1：11，球面-锥面接头密封面处的球形半径为73.25mm。

据此建立三维模型后采用六面体减缩积分单元对模型整体进行网格划分，有限元模型如图2所示。

特殊螺纹石油套管接头密封结构优选黄军发表时间：2018-01-28T21:43:50.673Z 来源：《基层建设》2017年第32期作者：黄军[导读] 摘要：特殊螺纹密封结构形式是影响密封性能的关键因素之一，采用有限元分析方法对比两种不同的主密封结构形式-锥面/锥面和弧面/锥面在上扣、拉伸、弯曲及内压加拉伸载荷条件下的接触压力、接触长度及沿主密封面泄露穿透长度的变化，得到不同型面组合的密封能力随载荷的变化规律。

中石化西南油气分公司物资供应中心四川成都 610016 摘要：特殊螺纹密封结构形式是影响密封性能的关键因素之一，采用有限元分析方法对比两种不同的主密封结构形式-锥面/锥面和弧面/锥面在上扣、拉伸、弯曲及内压加拉伸载荷条件下的接触压力、接触长度及沿主密封面泄露穿透长度的变化，得到不同型面组合的密封能力随载荷的变化规律。

得出新的密封准则为：密封接触表面之间的有效接触长度大于0.5mm，接触压力最大与最小值之差是内压的5.85以上，在有效接触压力及长度范围内接触表面塑性应变控制在材料屈服点应变范围内，可使密封结构达到抗黏扣和消除密封间隙的目的。

关键词：特殊螺纹；石油套管；接头密封；结构优选 1特殊螺纹接头密封特征和原理结构 1.1特殊螺纹接头特征特殊螺纹接头是相对于API螺纹接头而言的。

API螺纹接头在全球范围内应用非常广泛，但其性能并不能满足所有油井的需要，特别是在密封性和强度方面存在一定的问题。

圆螺纹接头的连接处只能承受相当于管体断裂强度的60%-80%的拉伸载荷；偏梯形螺纹接头的密封性只相当于管体的30%左右。

目前所研究开发的特殊螺纹接头在高连接强度、高密封性、防螺纹粘扣、抗应力腐蚀等方面已取得很大的进展，特殊螺纹接头能保持全面的管体压力，其连接强度比管体强度高1%-5%。

尽管特殊螺纹接头的成本及维护费用较高，但在油井中的应用越来越广泛。

在我国，许多油井也已开始使用特殊螺纹接头的油套管，我国在油田开发的早期，主要为2000m左右深的浅油井，使用按API标准生产的螺纹接头加密封脂，其连接强度和密封性能基本满足要求。

1研究现状螺纹是套管柱的主要连接形式,套管可以分为API标准套管和特殊螺纹连接套管。

API标准套管是指按照API Spec 5B标准制造的系列套管。

API 标准规定的螺纹连接类型有4种,即:短圆螺纹(STC)、长圆螺纹(LTC)、偏梯形螺纹(BTC)和直连形螺纹(XL)。

特殊螺纹连接套管是指各大钢管厂为了满足各种特殊工况的需要,保证套管柱的结构完整性和密封完整性而开发的系列套管。

1.1 API标准螺纹连接强度研究现状1997年6月,王琍等研究了螺距误差对螺纹牙过盈分布的影响,求出了由于过盈产生的接触压力,进而得到装配扭矩,从理论上揭示了螺距误差对扭矩的影响规律,为进一步深入分析螺纹几何参数对扭矩的影响奠定了基础。

朱翠娥等利用有限元法对存在制造误差的油井套管进行了应力分析,并对套管与套管之间的丝扣联接部分进行了应力分析,编制了数值计算软件,指出了应力提高系数屈服过程,为套管设计提供了依据。

同年7月,张毅等通过全尺寸实物试验发现:套管试件的几何尺寸与螺纹参数的诸多可变参量中,尺寸因素的加权值占到98.4%。

而且在尺寸因素中, 中径所占比例最大,达到64.5%,接箍不圆度占27.1%,锥度仅占2.52%，并给出了推荐的螺纹参数加工公差带。

2000年,习俊通等根据套管螺纹接头的结构和受载特点,在先期建立套管接头螺纹旋合接触的有限元分析模型和分析程序的基础上,研究了因加工误差而造成套管接头内、外螺纹螺距不一致时对其载荷传递特性的影响;为设计时合理选择套管接头内、外螺纹的螺距公差提供了依据。

2001年,王治国等在圆螺纹油套管的API设计思想框架内, 讨论了如何确定最佳上扣扭矩, 得出为了能够发挥API圆螺纹油套管的最佳使用性能,应该根据油套管的实物情况确定对应于最佳上紧位置的实需最佳上扣扭矩。

2005年,高连新等利用弹塑性有限元法,研究了圆螺纹套管接头发生滑脱失效的过程与机理,然后通过全尺寸试验,分析了这种接头在失效过程中的应变分布及变形情况,验证了有限元结果，并得出圆螺纹套管滑脱失效最先发生在啮合大端的第1、2牙螺纹上,设法提高此处螺纹的承载能力,对提高圆螺纹套管的连接强度具有重要意义。

105中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2020.11 （下）螺纹连接是油套管的主要连接方式，也是管柱最薄弱的环节，油套管约有80%的失效发生在螺纹连接部位。

API 标准的螺纹在保证井下管柱的结构完整性和密封完整性方面均存在不足，不能用在高压、高腐蚀等严酷环境下的油气井。

而特殊螺纹具有较高的连接强度及抗变形能力，并具有良好的密封性能，可以应用于严酷条件的油气井。

特殊螺纹设计的核心主要包括优化密封面、扭矩台肩和连接螺纹参数，降低应力集中、保证密封性能、减少塑性变形，从而保证油套管的结构完整性和密封完整性。

1 特殊螺纹接头性能要求1.1 良好的密封性能油套管在井内一般可以归为三个轴方向的受力，主要包括管柱所受的拉力、外部挤压力、内部膨胀压力以及三种应力组合。

要求特殊螺纹接头不仅有较好的抗拉、抗压性能，在交变载荷和高温情况下具备较好的密封性能。

1.2 抗粘扣性能特殊螺纹的螺纹和密封区的过盈量都采取较高的数值，在上卸扣过程中发生粘扣的概率较高。

抗粘扣能力是考察特殊螺纹性能的重要指标之一。

1.3 可加工性因特殊螺纹具备较复杂的结构，其可加工性也是衡量特殊螺纹是否实用的重要指标。

主要体现在加工时间和加工成本方面。

2 特殊螺纹接头密封面设计2.1 密封结构的设计密封结构的设计主要包括密封结构的选择和密封过盈量关于油套管特殊螺纹的研究与分析黄继庆，胡海波，苑承波（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司研究院，天津 300280）摘要：本文介绍了特殊螺纹接头的性能要求，重点从特殊螺纹的密封面、扭矩台肩和螺纹三个方面介绍了特殊螺纹的设计要求，对重点参数提出了设计依据，同时，提出了特殊螺纹设计注意因素。

关键词：特殊螺纹；密封面；扭矩台肩；螺纹中图分类号：TE931 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2020）11（下）-0105-02的确定。

油套管特殊螺纹接头的技术现状及结构形式
油套管特殊螺纹接头是用于石油钻井生产设备的一种高技术义务接头。

它主要由螺纹部分和防护圈脱落防止装置组成，它们以不同的形状形成了螺纹连接，通过切削、去除、热锻处理等严格工艺工序，接头连接可完成一定的强度、牢固性和密封性，确保管道完整无损，并具有良好的塑性和耐磨性。

由于油套管不能更改，相对高温、高压和振动等危险要求，特殊螺纹接头的结构越来越复杂，苛刻的安全性要求不断提高。

油套管特殊螺纹接头主要有两种结构形式：一种是双环接头，也叫外紫锥接头，它由螺纹筒和安装筒组成；另一种是突指螺纹接头，它是由四个零件组成的：一个是内衬，用于向油压发生器提供密封；一个是中间套管，用于连接内衬与插头；一个是外接套管，用于连接内衬与插头；另一个是插头，用以安全拆卸装配接头。

由于通常不可见，需要及时进行鉴定来确保管道完整。

在目前，油套管特殊螺纹接头的技术一直受到油气行业的关注，越来越多的研究者致力于提出新的解决方案来满足石油行业的需求。

我国也积极开展了相关的研究，已经采用了多种新的和革新的技术手段来提升接头的强度、质量和使用寿命，取得了很大进步。

油套管特殊螺纹接头是一项重要的技术，为了确保石油钻井设备可靠性，管道安全无法，还需要在设计制造、维护和检修等方面不断改进和努力，以提高水平，完善特殊螺纹接头的技术。

基于ANSYS的特殊螺纹接头结构设计与分析周晓君;魏波【摘要】Aiming at the leakage problem of the API thread joint, the sealing mechanism about the thread joint was analyzed, the relationship between the sealing ability of the thread joint and the force/temperature loads was established. A premium connection (PC) with new sealing structure was brought forward which was equipped with double - shoulder/three-taper. ANSYS was introduced to analyze the PC structure, the relationship of different forces and temperature loads with the deformation was studied, and the PC connect stress curves,teeth top and root stress curves,and anti-leakage ability with temperature loads changing curves were obtained. The results show that the PC force distribution is "W" type,and the values change from 150 Mpa to 350 Mpa,do not exceed the material strength limits, the overall force is more fluent in PC. The relative values of the PC contact stress change from -25 to 0, which meets the proposed requirements in the anti-leakage mechanism.%针对API螺纹接头泄漏等问题,进行了螺纹接头密封机理的研究.建立了螺纹接头密封性能与受力情况、温度载荷变化情况之间的关系；提出了一种双台肩、三锥度的新型特殊螺纹接头的密封形式,利用ANSYS软件对新型特殊螺纹接头分别在两种受力工况和不同温度载荷下进行了分析,得出了特殊螺纹接头各扣牙的接触应力变化曲线、各扣牙齿顶齿根受力变化情况曲线及其抗泄漏能力随温度载荷变化情况曲线.研究结果表明:基于ANSYS 的新型特殊螺纹接头受力分布呈“W”型,其值变化范围为150 MPa～350 MPa,未超过材料强度极限,整体受力较为均匀；并且螺纹接头的接触应力变化相对值范围为-25 ～0,符合防泄漏机理要求.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(029)009【总页数】5页(P1002-1006)【关键词】特殊螺纹接头;ANSYS;密封泄漏机理;结构设计;有限元分析【作者】周晓君;魏波【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TH131.3;TH120 引言油田固井时，套管柱被悬挂在几千米深度的油井中，每个接头都必须承受下面悬挂的套管柱的质量［1］。

特殊螺纹接头密封性能与结构分析辛纪元1，吴广瀚1，邹天下1，朱世忠2，李大永1，3 （1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．南通永大管业股份有限公司，江苏南通226600；3．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）①【摘要】摘要：油气井环境的日益苛刻对油套管的密封性能和连接强度提出了更高的要求。

采用有限元方法分析了特殊螺纹接头的密封性能及结构特点，重点研究了现有结构在上扣转矩、轴向拉伸及内部内压作用下接头的应力分布和密封效果，获得了在各种工况下的失效载荷，并在此基础上，对此种特殊螺纹接头主密封结构、螺纹牙型进行设计、对比与分析。

分析结果表明，在主密封结构的设计上需要综合考虑接触应力及接触面积等因素才能得到较好的密封效果；在螺纹牙型设计上，需要考虑螺纹加工对成本的影响，使用加工刀具及量具比较成熟的偏梯形螺纹是较好的选择。

【期刊名称】石油矿场机械【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5【关键词】特殊螺纹接头；密封性能；结构；有限元油套管是石油钻采作业中必不可少的部分，其质量直接影响到钻井的成败和油气井的使用寿命。

其中的螺纹接头是最薄弱的部分，资料表明，油套管失效事故约64%发生在螺纹连接部位［1］。

而随着全球大力开发深井、超深井、高气压井、稠油热采井、定向井、水平井、重腐蚀井等环境更加苛刻的油气井［2］，普通A PI推出的接头在密封性能和连接强度等方面已经不能满足现在工程技术的要求，为此国外先进的套管生产厂成功开发出多种特殊螺纹接头。

特殊螺纹接头的研究和开发，国外从四十年代后期起步，六十年代投入使用，八十年代大量应用，目前约有100多种扣型，并且每年都有一些新型螺纹接头问世［3-7］。

我国虽然是世界上消耗油套管最多的国家之一，但是特殊螺纹接头的研究与开发起步较晚。

特殊螺纹接头的研发制造主要集中在上海宝山钢铁股份有限公司，天津钢管集团有限公司以及无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司［8-9］。

特殊螺纹接头结构的分析与加工方法研究特殊的螺纹接头一般选用全新密封且螺纹型的结构，这样的结构能够很好地进行连接，并且具有较强的密闭性。

我们可以对特殊形式的螺纹接头结构进行分析，尤其是从其的结构构成、接头特点、结构标准、技术要求等方面进行特殊螺旋接头的研究，通过这些方面的研究，可以更好地了解特殊螺旋结构接头的结构，从而提出在进行特殊螺旋刀具的选择时的方法，不仅如此，还有利于提出更有针对性、更合理科学的加工方案。

标签：特殊螺纹接头；结构研究；加工方案；性能分析一、接头结构与性能的分析一般情况下，油气井管柱采用的螺纹接头是选择内部螺纹与外部螺纹拧接配合紧密结构，这种结构的选择有利于其的连接，起到一定的密封作用，通常螺旋接头结构的选择一般分为带有接箍型和直连型。

在对螺旋接头进行密封时，一般都是用螺纹密封和结构密封的方式。

就目前来说，油气井管柱的接头设计一般采用这几种密封方式，其中螺纹脂密封作为辅助工具进行使用。

该篇文章主要针对这几种类型的接头结构做出了简要的分析，并且举出了其密封性能的优势与缺点以及对产品的需求。

（1）API螺纹接头在标准中提出的六种接头中除了IJ接头是直连型的结构之外，其他几种接头均为带接箍式的结构。

但是API螺纹接头并未设置专门的密封结构，所以在当螺纹进行旋转拧接时会存在一定的漏缝，接头的密封性和密闭性比较差。

为了改变这一缺点，相关研究人员研究出了一种新型的螺纹脂，将其填充到螺纹与螺纹之间存在间隙之间的地方，当其固化时就会形成聚合化物，起到了一定程度的密封作用。

（2）特殊螺纹接头更具有针对性，其是为了达到某种特性而进行特殊设计的接头，目前为止，国内国外所存在的特殊接头类型有300多种，而最具有代表性的就是具有良好密闭性和高连接强度的特殊螺纹接头，这种典型的结构包括了密封面、连接螺纹和接箍三部分。

这三种构造在特殊螺纹接头的焊接中都起了不同的作用。

当然，在有些情况下，改变螺纹的导向面角度还可以提高其的牢固性，增加承受能力。