小直径特殊螺纹接头接箍密封面规的设计

小直径特殊螺纹接头接箍密封面规的设计

吴丹

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳421001）

摘要：提出了一种用于直接测量小直径特殊螺纹接头接箍密封锥面直径的量规，并介绍了其设计原理、结构特点及具体使用方法。实际应用结果表明：该小直径特殊螺纹接头接箍密封面规具有测量准确、操作方便等特点，解决了传统测量实现难、测量复杂、误差大等问题。

关键词：油套管；小直径；螺纹接头；测量；量具；设计

随着石油工业的发展，油、气钻井环境日益苛刻，标准的API（美国石油学会）螺纹接头已不能满足油气田的需要，迫切需要特殊螺纹接头的出现，以保证接头的密封、结构及上扣完整性［1-2］。但是，特殊螺纹接头的设计是一项系统工程，其开发包括结构设计、有限元分析、刀具设计、量规和量具设计、全尺寸评价试验、下井试验等过程，需要各个环节的紧密衔接，而量规和量具的设计制造是其中的重要环节。设计的量规、量具必须测量准确、使用方便，才能保证产品的质量［3-4］。对于管体外径≤127.00 mm的油套管，其配套的接箍直径小，且密封结构一般位于离接箍端面较远的位置，结构较复杂，极其不利于测量，所以一般的测量工具难以测量出准确的值。以内径千分尺为例，虽然其适合测量内径，因结构原因，无法直接测量密封锥面处的值，且测量时量规两触点容易倾斜，不能保证测量平面与接箍轴线垂直，因此测量误差大；另外，因接箍直径小，检测人员操作不方便，其中管体外径60.32 mm配套的接箍无法实现对密封面尺寸的测量。

本文提出了一种用于直接测量小直径特殊螺纹接头接箍密封锥面直径的量规，并介绍其设计测量原理及结构特点。

1 设计原理

1.1 小直径特殊螺纹接头锥面密封结构简介

大部分小直径特殊螺纹接头主要由连接螺纹、密封面及抗扭矩台肩三部分组成［5-6］。连接螺纹采用了连接效率较高的偏梯形螺纹，与API Spec 5B—2008《套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验》标准中的偏梯形螺纹相比，对螺距、齿高、锥度等螺纹参数进行了调整，使接头的应力分布较为合理，提高了接头的连接强度；但是，偏梯形螺纹的密封性能较差，仅依靠螺纹部分的过盈量及螺纹脂的封堵作用来实现密封完整性［7-8］，小直径特殊螺纹接头设计了金属对金属的密封结构，是由两个带锥度的光滑金属表面通过过盈配合而实现密封［9-10］。主密封是由靠近管体端部的密封锥面S1和靠近接箍中部的密封锥面S2两个相对的金属结构来实现，其径向过盈量为ΔD。管体密封锥面S1与垂直方向的夹角为α1，接箍密封锥面S2与垂直方向的夹角为α2。辅助密封是由管体的扭矩台肩T1和接箍的扭矩台肩T2之间的配合来实现的，与垂直方向的夹角分别为β1和β2，其轴向过盈量为Δd。小直径特殊螺纹接头密封结构如图1所示。

图1 小直径特殊螺纹接头密封结构示意

小直径特殊螺纹接头的管体、接箍锥面密封结构接触面积大，在弹性范围内相互过盈，产生一定的接触压力，形成良好的密封效果。扭矩台肩为外逆向扭矩台肩，当旋紧扭矩过大，具有密封作用的同时还可以控制螺纹和干涉密封面过盈量，从而保证主密封的过盈量能够顺利实现［11-12］。

1.2 测量原理

为保证密封完整性，确保特殊螺纹接头结构设计的密封过盈量，接箍密封面的尺寸（密封面直径和椭圆度）是生产中需要严格控制和检验的主要参数，必须满足设计要求［13-14］。此时，需使用一种测量工具对实际加工的工件进行准确测量。

1.2.1 传统工具测量

传统测量密封面处的直径和椭圆度是用内径千分尺进行的［15］。传统工具测量如图2所示。但此方法受量具及接箍密封结构的限制，不能对接箍密封锥面S2和扭矩台肩面T2处进行直接测量，而是通过测量与密封锥面S2相邻的圆柱面处的值，来间接保证密封面尺寸。此测量方法必须保证所测的圆柱面和密封面使用同一把刀一次加工而成。缺点是：因接箍直径小，检测人员测量时操作不方便；手拿测量工具测量时对量具读数处有遮挡，需将量具离开测量面后再对其读数，会产生一定的读数误差。

图2 传统工具测量示意

1.2.2 小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量

小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量密封面处的直径和椭圆度是通过球形触头与密封锥面S2和扭矩台肩面T2相切，即直接测量接箍密封锥面尺寸，而不是通过间接测量来保证。因球形触头在轴向上与台肩面相切，限定了触头的测量位置，可保证反复测量时都在同一个平面上，减小了测量误差。小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量如图3所示。球形触头与密封锥面S2和扭矩台肩面T2相切的切点分别为a和b。测量时不需要将手伸到接箍里面就可以完成测量，且读数时不需要将量具移开测量面，可直接读数，不会造成读数误差。同时，此方法采用百分表显示工件与标准块的实际偏差，便于读取测量值。

图3 小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量示意

为提高测量精度，使测量获得的数值尽量接近工件实际值，采用小直径特殊螺纹接头接箍密封面规进行测量。该测量方法设有凹槽型接箍密封锥面标准块，该标准块的校准值S根据相应的接箍加工图纸中密封面处的相关尺寸计算得出：S=ΦS=ΦA+ R（1-cosα2）+cosα2Rtan［（180°-α2-β2）/2］。其中，ΦS为密封锥面校准值，ΦA为密封锥面尖点设计值，R为球形测头半径。接箍密封锥面标准块如图4所示。

图4 接箍密封锥面标准块示意

2 量规结构

小直径特殊螺纹接头接箍密封面规的结构如图5所示。伸缩杆是整个量规在操作时能活动的部分，量规有一定的压下量，测量时触头通过伸缩杆将偏差传给指示表盘。指示表盘用于显示实测值，其带有小指示表及大指示表，测量精度可以达到0.01 mm，实现了精确测量，相对于英制表读数直观、简便；另外，指示表盘离伸缩杆位置较近，减少了传动误差，由于受到接箍内孔直径的限制，指示表盘的直径为40.00 mm。手柄便于检测人员操作。竖杆用于连接指示表盘及手柄，其长度与接箍密封面的深度有着密切的关系。该小直径特殊螺纹接头接箍密封面规可以测量管体直径60.32～127.00 mm相应的接箍密封锥面直径，当测量不同规格，可以通过更换相应的互换接杆实现，测量范围广，通用性好，便于管理。由于接箍密封锥面是由构成锐角的两段直线组成，根据此形状，量规设计的是斜触头，这样触头的球面可以与密封面相切，直接测量密封锥面直径，且测量位置准确、固定，不受密封面结构的干涉；另外，还采用了小直径的触头，可以减少触头直径大带来的测量误差；当斜触头在量规中的角度选定好后，可以通过锁紧螺母来固定斜触头在量规中的位置。

图5 小直径特殊螺纹接头接箍密封面规结构示意

除了上述各结构外，图4所示标准块也是小直径接箍密封锥面测量系统的一部分。测量前，量规需要在标准块上进行校准，作为测量时的一个基准，便于在测量时获得实际偏差值。

3 测量方法

根据测量的接箍尺寸选好相应规格的互换接杆，将其安装在量规上，再拧上斜触头，将锁紧螺母锁紧。将安装好的接箍密封锥面直径规置于标准块上校准。小直径特殊螺纹接头接箍密封面规校准如图6所示。校准时，以互换接杆处的触头为旋转支点，摆动量规，将获得的最小读数设为零点，即将指示表盘上大表的零位调至此，同时记住小表上指针的位置；再移出密封面量规，重复校零，查看零位是否在同一位置，若在同一位置，则说明量规已校准。

图6 小直径特殊螺纹接头接箍密封面规校准示意

接箍密封面清理干净后，将小直径特殊螺纹接头接箍密封面规置于接箍内，测量时，斜触头球面需与密封面相切，同样以互换接杆处的触头为旋转支点，90°摆动量规，获得的最大读数即为测量值，由于接箍存在椭圆，需在密封面圆周上多测量几个点，以获得准确的密封面平均直径和椭圆度数值。小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量如图7所示。

图7 小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量示意

使用小直径特殊螺纹接头接箍密封面规测量Ф88.90 mm油套管接箍密封面，具体检测数据见表1。

4 结语

现场使用结果表明，设计的小直径特殊螺纹接

接箍圆周上偏离圆周上偏离平均椭圆序号标准块最大值标准块最小值偏差值度值1 0 -0.04-0.0200.04 20.02-0.010.0050.03 3 0 -0.03-0.0150.03 4-0.01-0.02-0.0150.03 50.0200.0100.02 6-0.02-0.05-0.0350.03 7 0 -0.03-0.0150.03 8 0 -0.02-0.0100.02 9-0.01-0.02-0.0150.01 100-0.02-0.0100.02

注：平均偏差值=（偏离标准块最大值+偏离标准块最小值）/2；椭圆度值=│偏离标准块最大值│+│偏离标准块最小值│。头接箍密封面规测量准确，操作方便，可以保证特殊螺纹接头的测量准确性。该小直径特殊螺纹接头接箍密封面规解决了小直径特殊螺纹接头接箍密封锥面直径测量实现难、测量复杂、测量误差大等问题，实现了测量准确、精确，保证了测量质量；测量易操作，提高了测量水平和生产效率。

5 参考文献：

［1］高连新，金烨，张居勤.石油套管特殊螺纹接头的密封设计［J］.机械工程学报，2005，41（3）：216-220.

［2］彭羽，李连进.石油套管特殊接头螺纹参数与密封性能的关系［J］.机电技术，2016（2）：4-7.

［3］白鹤，何石磊，党涛，等.我国油套管特殊螺纹接头研究现状分析［J］.焊管，2011，34（11）：30-34.

［4］夏佑广.HSM-2型特殊螺纹套管接头设计分析［J］.焊管，2016，39（4）：22-26.

［5］许红林，李天雷，杨斌，等.油套管特殊螺纹球面对锥面密封性能理论分析［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2016，38（5）：179-184.

［6］王善永，杨俊义，宋志平.几种特殊套管螺纹接头［J］.石油矿场机械，2005，34（4）：83-85.

［7］史交齐，林凯，解学东，等.提高API螺纹油管和套管密封性的措施［J］.石油机械，2002，30（3）：47-49.

［8］王治国，张毅.API圆螺纹油管接头上扣与拉伸过程的有限元应力分析［J］.钢管，2001，30（3）：20-25.

［9］孔华，步玉环，马明新.特殊螺纹接头锥面/锥面结构密封特性研究［J］.石油机械，2011，39（4）：14-17.

［10］王建东，冯耀荣，林凯，等.特殊螺纹接头密封结构比对分析［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2010，34（5）：126-130.

［11］鲁碧为，白鹤，袁芳兰，等.螺纹过盈量对特殊螺纹接头性能的影响［J］.钢管，2015，44（4）：49-53.

［12］詹先觉，罗蒙，王琍.锥面密封油套管特殊螺纹接头密封面过盈量计算［J］.宝钢技术，2014（6）：55-58.

［13］侯东明，陈文冬，高兴华.内螺纹测量方法研究［J］.装备制造技术，2015（1）：53-56.

［14］孙玉玖，唐英娜，钱丰，等.螺纹的综合测量和单项测量［J］.计测技术，2007，27（3）：28-30.

［15］卢远廷，李那，魏福贵.内径千分尺的正确测量及误差分析［J］.齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2007，23（2）：92.

Design of Gauge for Measuring Coupling Sealing Surface of Small-sized Premium Thread Connection

WU Dan
（Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421001，China）

Abstract：Described here in the paper is a gauge for directly measuring coupling sealing surface of the smallsized premium thread connection，involving the design principle，the structural characteristics and the specific operation procedure.Result of the actual operation of the gauge proves that the said gauge features accurate measurement，and easy operation and so on，which solves the problems as staying with conventional measurement process，i.e.，hard operation，complexity of measurement，and rather big error.

Key words：casing and tubing；small-sized；thread connection；measurement；measuring implement；design

中图分类号：TG335.71；TE931+.2%%

文献标志码：B%

文章编号：1001-2311（2017）02-0040-04

（收稿日期：2017-02-16）

吴丹（1982-），女，工程师，从事油套管螺纹接头的研究工作。