特殊螺纹接头上扣扭矩的确定方法分析

0 前 言

油套管通过锥管螺纹连接起来，形成长达数千米的管柱，接头是整个管柱中最容易失效的部位。合理的扭矩对接头性能的正常发挥至关重要，上扣扭矩过大和过小都会严重影响接头的连接性能，如何确定接头的上扣扭矩一直是油井管螺纹研究的重点之一。对于 API 圆螺纹油、套管，API标准规定了接头的上扣扭矩范围，包括最小扭矩、最佳扭矩和最大扭矩，对于API 偏梯形螺纹套管，API 标准规定按照位置上扣。

1 仅有台肩过盈的接头

除了螺纹以外，特殊螺纹接头一般添加了扭矩台肩和金属/金属径向密封结构，金属/金属径向密封结构紧靠台肩设置。因此，特殊螺纹接头上扣时，扭矩由螺纹、扭矩台肩以及金属/金属径向密封结构共同承担。接头拧紧后，扭矩台肩产生轴向过盈，金属/金属密封结构产生径向过盈，两者都会存储一定的能量—应变能，而且两者储存应变能对上扣扭矩的影响计算原理相同，结构上又处于很接近的位置，为了方便起见，因此在计算过程中将密封面和台肩面统称为台肩面。

根据弹性力学理论或通过有限元分析方法，可计算得到螺纹接触面上各个节点的接触力的轴向分力，进而可以得到整个台肩上的接触力轴向分力之和。

2 仅有螺纹过盈的接头

油套管接头一般采用锥管螺纹连接，依靠锥管螺纹的过盈配合达到密封和连接的效果，实现接头的密封完整性和结构完整性。忽略特殊螺纹的扭矩台肩，分析在仅有螺纹过盈时瞬态下应变能储存对上扣扭矩的影响。

图 1 是公接头和母接头简化为公锥体和母锥体，当油套管接头旋转弧度 e 时，公接头和母接头轴向相对移动。若椎体母线的斜度为 1：r，则在垂直轴线方向上过盈量增加；因此

过螺纹的节点的切线与径向的夹角为，节点上的接触力为，其在径向上的分力为，当接头相对旋转弧度增加时，与切线垂直的方向上过盈量增加量为图2 所示。

根据弹性力学理论或通过有限元分析方法，可计算得到螺纹接触面上各个节点的接触力的径向分力，进而可以得到整个螺纹上的接触力径向分力之和。

图1 椎管连接示意图  图2 位移示意图

3 既有台肩过盈，又有螺纹过盈的接头

一般特殊螺纹接头在结构上既包含螺纹又包含扭矩台肩，因此上扣后既有螺纹过盈也有台肩过盈。在台肩和螺纹都出现过盈的复合状态下，台肩的接触力和螺纹接触力相互影响，受力情况比较复杂，需要综合考虑应变能储存对上扣扭矩的影响。

利用弹性力学理论或者有限元分析方法，可以计算出台肩面和螺纹牙上的接触力。

4 实例分析

特殊螺纹接头油套管的上扣扭矩包括摩擦扭矩和应变能存储的扭矩，以规格为 0177.8×10.36mm 、钢级 P110 的特殊螺纹套管接头为例，计算上扣时应变能储存对上扣扭矩的影响。不同圈数下的上扣扭矩见图3。

图3 上扣扭矩曲线图

从图 4 可以看出，上扣过程中扭矩经理了三个阶段。第一个阶段只有螺纹的径向过盈，扭矩随着螺纹过盈量的增加呈现线性增加（图中 A 点以前）；当到达A 点时密封面接触，开始进入第二阶段，扭矩曲线出现拐点（图中AB 段）；当到达B 点时台肩面开始接触，进入了第三阶段（图中BC 段）。由于套管接头扭矩台肩起上扣定位作用，台肩处接触后扭矩快速上升，上扣扭矩呈现近乎线性增长。当到达 C 点时，台肩面处已经开始出现较大面积的屈服，因此在上扣时不能超过 C 点。C 点对应着 0.929 圈，扭矩为17.24kN⋅m 。

5 结论

（1）特殊螺纹接头的最终上扣扭矩包含两部分：摩擦力矩和应变能力矩，其中应变能扭矩包括螺纹、扭矩台肩和金属/金属密封结构三者吸收的应变能之和。

（2）储存应变能需要的扭矩是上扣扭矩的重要组成部分，在二维轴对称模型下计算特殊螺纹接头的上扣扭矩时，应该考虑应变能的影响。

参考文献

[1] 宋利滨，马源，吴泽敏．圆螺纹油管上扣扭矩计算方法[J]．压力容器，2014，31（4）：75-79

[2] 马源，傅伟，石坤. CNG 储气井套管接头最佳上扣扭矩研究[J]．化工装备技术，2013，34（2）：33-35，43

[3] 解学东，史交齐，申昭熙等．PSC 特殊螺纹接头上扣特性研究[J]．石油机械，2005，33（9）：12-15