API螺纹结构与性能分析

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[摘要]本文通过有限元法研究了api螺纹的结构与性能之间的关系，圆螺纹连接强度低是因为其牙侧角较大，拉伸时产生的径向分力大，使接箍外涨，管体内缩，内外螺纹承载面之间易产生相对滑动，从而大大降低螺纹的连接强度；而偏梯形螺纹密封性差的原因是在上扣和拉伸载荷作用下，各齿面上的接触压力严重不均匀分布，及螺纹配合后泄漏通道面积加要大于圆螺纹而造成的。这些结构上的缺陷影响了API螺纹接头的性能，使其不适用于一些工况恶劣的油气井。

[关键词]API螺纹

有限元

连接强度

密封性能

API螺纹是油管、套管的主要螺纹形式，其具有统一完善的加工、检验和使用标准，螺纹结构简单，易加工。常用的API标准油套管接头可以分为长圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头。但是，由于API螺纹接头其本身结构设计的问题，至使其性能存在一定的缺陷，圆螺纹密封性能好但连接强度低，偏梯形螺纹连接强度高但密封性能差。这些问题使API螺纹接头的适用井矿受到一定的限制，不适用于高压气井、深井、热采井等服役条件恶劣的井矿。

1 API螺纹的结构特点

API圆螺纹的结构为承载面和导向面都为30°角、螺距3.175mm、齿高1.81mm，锥度1：16。

API偏梯形螺纹的结构为导向角10°，承载角3°角、螺距5.08、齿高1.575mm，锥度1：16。

圆螺纹和偏梯形螺纹内外螺纹旋合后，螺纹之间存在一条泄露通道。圆螺纹主要在啮合螺纹的齿顶和齿底形成螺旋形通道；偏梯形螺纹主要在啮合螺纹的导向面之间，以及螺纹齿顶和齿底之间存在螺旋形通道，这些通道使套管内、外通过螺纹之间的通道连通，从而使流体泄漏。因此从结构上分析，API螺纹不具有流体（尤其是气体）密封能力。为了使API螺纹能够密封一定的流体或气体，在上扣时给内外螺纹涂抹一定量的螺纹脂，上扣过程中螺纹脂被挤压到螺纹之间的泄露通道中，来封堵这些通道来实现API螺纹的密封功能。

2 API螺纹连接强度和密封性能有限元模拟

采用ANSYS软件对套管圆螺纹和偏梯形螺纹接头进行有限元模拟，模拟接头上扣，上扣+拉伸工况下接头螺纹上的应力分布规律，来研究圆螺纹和偏梯形螺纹结构与螺纹连接强度和密封性能的关系。

2.1有限元模型的建立

以φ139.7×9.17mmP110钢级套管接头为研究对象，分别按照圆螺纹和偏梯形螺纹结构进行建模，螺纹公差采用标准公差。

套管接头为轴对称结构，该结构可以按照有限元轴对称问题进行分析。模型参数采用实测值，弹性模量为2.06×105Mpa，泊松比为0.3，屈服强度为760Mpa（θ），抗拉强度960Mpa。

接箍和套管用4节点单元划分，螺纹啮合面用接触单元划分，其力学模型中，轴向载荷作用于套管上，接箍上端轴向固定约束。

2.2计算结果及分析

首先进行API螺纹上扣工况下的有限元分析，接头按照标准上扣圈数两圈，径向过盈量0.20mm进行模拟上扣分析，计算后的接头应力云图见2—1。

以管体螺纹为研究对象，各啮合扣编号见图2—1所示，由于配合的配合的第一扣接箍为不完整扣，将这一扣去除，从第二扣开始，取各齿上的计算结果进行分析，圆螺纹导向面和承载面上的平均接触应力分布见图2-2。

偏梯形螺纹各齿承载面、导向面和齿顶的平均接触应力分布见图2-3。图2-3偏梯形螺纹各齿面接触应力分布

从以上图表中可以看出，上扣后螺纹各齿面上的接触压力成不均匀分布。圆螺纹导向面和承载面上的分布规律为：两端大中间小，2-14扣承载面上的接触压力大于导向面，15-22扣导向面上的接触压力大于承载面。偏梯形螺纹导向面、承载面和齿顶上的接触应力分布规律为：2-4扣上承载面上有接触压力，最小接触压力20Mpa，最大接触压力50Mpa，其余各扣承载面面上无接触压力；15-16扣上导向面上有接触压力，最小接触压力18Mpa，最大接触压力82Mpa；2-5扣为不完整扣齿顶上无接触压力，6-16扣上有接触应力，最小70Mpa，最大11Mpa。

API螺纹的密封性能主要是靠上扣后螺纹之间由于过盈配合产生的接触压力来进行密封，另外API螺纹配合后还存在一定的泄漏通道需要螺纹脂填充这部分空间进行密封。接头要保持密封性能，接触面上的接触压力要大于管体内流体的压力，如果假设螺纹的密封性能都一至，从圆螺纹和偏梯形螺纹各齿面上的接触应力对比可以看出，上扣后圆螺纹的密封性能要优于偏梯形螺纹。

圆螺纹承载面和导向面都存在接触应力，导向面上平均接触压力75Mpa，承载面上平均接触压力85Mpa；偏梯形螺纹只有齿顶上的接触压力大（平均68Mpa），且接触扣数多（11扣），而导向面和承载面只有螺纹两端一两扣上存在接触压力，中间各扣上导向面和承载面上都无接触压力。所以由于上扣后偏梯形螺纹各齿面上的接触压力的严重不均匀分布是上扣后偏梯形螺纹密封性能低于圆螺纹的主要原因。

下面分析接头上扣后，在拉伸载荷作用下圆螺纹和偏梯形螺纹接头的应力分布情况。拉伸载荷按比例增加，直至螺纹接头发生失效。圆螺纹接头从60%。开始加载，偏梯形螺纹从80%，每次增加10%。

经计算圆螺纹接头在加载到82.7%，时螺纹失效，偏梯形螺纹加载到116.3%，失效时接头的应力云图见2-4。

取圆螺纹承载面和导向面上中间节点在不同拉伸载荷下的接触应力和进行对比见图2—5。

取偏梯形螺纹承载面、导向面和齿顶面上中间节点在不同拉伸载荷下的接触应力进行对比见图2-6。

从以上图表的对比中可以看出，在拉伸载荷作用下，圆螺纹和偏梯形螺纹各齿面接触应力的变化情况。圆螺纹接头在拉伸载荷作用下，承载面上的接触应力相对增加，导向面上的接触应力为零；偏梯形螺纹接头在拉伸载荷作用下，承载面的接触应力相对增加，导向面上的接触应力为零，齿顶上的接触应力相对降低。

圆螺纹套管上扣后，导向面和承载面上就已经产生了较高的接触力，而且接触力的分布很不均匀，啮合螺纹的两端尤其是大端（靠近接箍端面的一端）受力较大，中间部分的螺纹受力较小。继续施加拉伸载荷，拉伸载荷对大端螺纹的影响较大，对小端螺纹的影响较小。大端第1、2牙螺纹承载面上的载荷逐渐增大，尤其是第1牙螺纹，增长幅度最快，最先失效。第1、2牙螺纹导向面上的载荷逐渐减小，直至脱离接触。说明滑脱失效首先发生大端的第1、2牙螺纹上，一旦该处的螺纹失效，其余螺纹也不可能承受更高的载荷，于是产生瞬间滑脱。

从接头失效载荷可以看出，在拉伸载荷作用下，圆螺纹的连接强度低于偏梯形螺纹连接强度。圆螺纹的滑脱载荷一般小于管体的材料的屈服强度，偏梯形螺纹的滑脱载荷一般达到管体材料的屈服强度。

圆螺纹连接强度小于偏梯形圆螺纹的原因是：

圆螺纹承载面和导向面都为30°角，工作时产生较大的径向分力，使内外螺纹承载面之间易产生相对滑动，而使接箍外涨，管体内缩，使结构产生双轴应力而大大降低螺纹的连接强度。但这种接头失效后螺纹没有明显损坏，螺纹的强度并没有充分发挥；而偏梯形螺纹载面角度为3。，导向角10°，工作时承载角上的径向分力较小，内螺纹承载面之间不易产生滑动从而提高了螺纹的连接强度。

3结论

本文通过有限元法分析了圆螺纹和偏梯形螺纹的结构特点与性能之间的关系。圆螺纹连接强度低，但密封性能好；偏梯形螺纹连接强度高，但密封性能不好。这些由于结构的缺陷造成使用性能受到限制，不适用于一些工况恶劣的油气井。要满足这类油气井对套管螺纹的使用要求，就要突破API螺纹框架，设计一种新的螺纹结构，该结构能够同时达到高的连接强度和高的密封性能。