钛合金特殊螺纹接头HSTI性能分析

胡志立，李小兵，李建亮，付 强，吴 丹，张垂贵，李 健，胡新太

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

目前，当含腐蚀性介质的油气井温度超过350℉（176℃），需要采用镍基合金或钛合金油套管来满足恶劣的服役井况［1-4］。镍基合金虽然耐蚀性较好，但其管材也存在加工工艺复杂，生产技术难度大，高温力学稳定性差等缺点［5-6］。钛合金在耐应力、中高温力学性能、耐腐蚀、耐高温高压、可焊接性、机械加工、抗震性等方面均优于镍基合金，其在高腐蚀性井况及海洋油气领域具有巨大的应用潜力［7-11］。此外，钛合金的密度约为镍基合金的一半，所以在相同井深下，钛合金管柱自身质量产生的轴向载荷约为镍基合金管的一半，同时钛合金管每米的价格要远低于镍基合金管每米的价格。

由于钛合金材质与普通碳钢差异较大，所以普通碳钢的螺纹接头参数不适用于钛合金螺纹接头［12-13］。现介绍衡阳华菱钢管有限公司开发的一种钛合金螺纹接头HSTI，并分析其密封性能，以期为钛合金螺纹接头的开发提供参考。

1 结构特点

钛合金管特殊螺纹接头的螺纹结构、牙型设计、螺纹过盈量、密封过盈量等均与普通碳钢的有区别。

（1）齿形。螺纹牙采用改进的偏梯形螺纹，螺纹锥度1∶16，螺纹齿顶、齿底平行螺纹轴线，内螺纹的齿高大于外螺纹齿高。螺纹导向面要有合理的间隙，间隙过大不利于接头压缩性能，间隙太小螺纹易黏结。

（2）螺纹脂储存槽。由于钛合金材质较软，易变形，为防止过量的螺纹脂憋压过大对密封面稳定的接触状态产生不利的影响，在密封面前后分别设计螺纹脂储存槽结构，方便储存过多的螺纹脂。

（3）密封面及台肩。采用小锥度的锥面+弧面/锥面密封结构，使得密封接触状态更稳定。负角度的逆向台肩，起到上扣定位作用，并提高了接头抗压缩和弯曲性能。

（4）表面处理。钛合金的摩擦因数较高，螺纹接头易发生黏着磨损，所以需要对其表面进行改性，以提高接头的耐磨减摩性能，一般直接在钛合金接箍表面磷化和镀铜时，镀层容易脱落，需要先预镀镍再镀铜，这在试验中也得到了验证。

2 有限元分析

以Φ88.90 mm×9.525 mm规格钛合金管为例，利用ABAQUS有限元分析软件，对特殊螺纹接头HSTI的接触部位进行网格细化，具体如图1所示，螺纹部位细化网格为0.1 mm，密封面和台肩部位细化网格为0.05 mm，采用四节点四边形单元CAX4，接触模式为面对面接触。取材料弹性模量108 GPa，泊松比0.32，材料模型采用双线性强化模型，根据接头材料的实际性能输入真实应力、真实应变数据。根据接头的受力情况施加边界条件。根据接头的结构和受力特点，将其按轴对称问题处理，且将接头的接箍中面处理为对称面，该截面内各点只有径向位移自由度；为消除管端效应，建模时取管体长度约为螺纹长度的3倍。建模时引入以下简化和假设：螺纹的螺旋升角很小，忽略其影响，把接头视为轴对称结构；接头的材料视为均匀的各向同性体；接触面的摩擦因数与实际接触面粗糙度及螺纹脂类型有关，根据前期试验反馈，螺纹部位及密封面和台肩部位取相应的摩擦因数。

图1 特殊螺纹接头HSTI的有限元模型接触部位网格细化

特殊螺纹接头HSTI在上扣状态下的等效应力云图如图2所示。可以看出：接头螺纹部位等效应力较低，鼻端部位应力较高；其中密封部位应力达到最大，但低于材料屈服强度，密封部位较高的接触应力有利于接头的密封性能；整体接头应力分布合理。

图2 特殊螺纹接头HSTI在上扣状态下的等效应力云图

保证密封完整性是特殊螺纹接头设计中最重要、最难的一个环节，是为了保证接头在井筒下不发生泄漏，按照ISO 13679∶2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》CALⅣA系试验进行复合加载，分析特殊螺纹接头HSTI的密封性能，复合加载点见表1。

表1 ISO 13679∶2002标准CALⅣA系试验复合加载点数值

特殊螺纹接头HSTI在上扣和拉伸下的密封接触压力分布曲线如图3所示。从图3可以看出：密封接触压力曲线呈现较好的马鞍形，中间下降较平缓；在上扣及14个复合加载点下，密封接触长度基本保持在2.0～2.4 mm，密封接触压力分布较合理，表明其保持非常良好的密封接触状态，说明其密封性很好。

图3 特殊螺纹接头HSTI在上扣和拉伸下的密封接触压力分布曲线

采用幂指数积分密封指数判断准则来定量评价接头的密封性能。针对热采井，Murtagian和Xie均提出，幂指数积分密封指数Wa定义为密封面上接触应力σ的n次方对接触长度L的积分［14-16］：

其中，采用螺纹脂时n取1.2，无螺纹脂时n取1.4。

基于大量的试验和有限元分析，Xie提出密封指数临界值Wac按公式（2）进行计算：

式中P管——管柱内气压，MPa；

P气——大气压力，MPa。

因此，要保证接头密封性能，需满足Wa≥Wac。

特殊螺纹接头HSTI在上扣及复合加载点下的密封指数与临界密封指数对比曲线如图4所示。从图4可以看出：特殊螺纹接头HSTI在所有加载点的密封指数值均远大于理论临界密封指数值，表明该接头具有优异的密封性能。

3 实物试验

3.1 上卸扣实物试验

图4 特殊螺纹接头HSTI在上扣及复合加载点下的密封指数与临界密封指数对比曲线

上卸扣试验可以检验螺纹接头的抗黏结性能，是上扣完整性能的直接体现，也是开发螺纹接头的第一步。由于钛合金材质摩擦因数高，质软，材质间很容易发生黏着，而且一般化学镀磷化层很难附着在钛合金基体上，导致钛合金螺纹接头很容易发生螺纹黏结，需要先预镀镍再电镀铜。经过实物试验验证，特殊螺纹接头HSTI可以满足标准ISO 13679∶2002油管螺纹上扣10次不黏结的要求。特殊螺纹接头HSTI卸扣后的宏观形貌如图5所示，螺纹接头表面光滑，没有发生螺纹黏结现象。

图5 特殊螺纹接头HSTI卸扣后的宏观形貌

特殊螺纹接头HSTI的上扣扭矩曲线如图6所示。其中，绿线和红线是圈数—扭矩曲线，蓝线是时间—扭矩曲线。从图6可以看出：螺纹配合段及密封配合段产生的扭矩保持较稳定的状态，也反映出螺纹接头表面状态完好，没有发生螺纹黏结现象，同时表明接头螺纹过盈量和密封过盈量设计较合理。

图6 特殊螺纹接头HSTI的上扣扭矩曲线

3.2 复合加载实物试验

复合加载试验是检验接头在拉伸、压缩、内压、外压、弯曲、高温等复合工况下的气密封性能。经过ISO 13679∶2002标准CALⅣ一系列全尺寸实物试验评价，钛合金特殊螺纹接头HSTI未发生泄漏或其他结构失效，成功通过了ISO 13679∶2002标准CALⅣ试验验证，表明该特殊螺纹接头具有优异的密封性能，其拉伸、压缩、内压、外压效率达到管体的100%。

4 结 语

特殊螺纹接头HSTI是针对钛合金材质而专门开发的高性能特殊螺纹接头。该接头具有良好的抗螺纹黏结性能；有限元分析和全尺寸实物试验评价表明该接头具有优异的密封稳定性能，在复合加载下，其内压、外压、拉伸、压缩等效率均达到管体的100%。