基于金属密封原理的管道螺纹密封性能研究

崔慧勇

[摘    要]随着我国社会经济的发展，各行各业对于金属管道密封的需求大大增加，与管道密封有关的一系列工艺已经成为了很多研究人员重点研究突破的技术方向。而开采行业、运输行业所使用的管件的密封性决定着其行业的生产发展，如石油产业的运输开采所使用的石油套管对管件的密封性就有着严格的要求。一般而言，管件密封的性能取决于管件的结构参数，而螺纹参数的加工误差会改变金属密封表面的接触状态从而影响密封性能。文章从实际使用出发，选择了锥面/锥面、柱面/球面这两种密封结构的特殊螺纹接头为对象进行研究，通过模拟分析，最终得出对管道螺纹密封性的具体影响因素。

[关键词]金属密封;螺纹参数;密封性能

[中图分类号]TE931.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–03

Research on Sealing Performance of Pipeline Thread Based on Metal Sealing Principle

Cui Hui-yong

[Abstract]With the development of national society， the demand for metal pipe sealing in all walks of life has increased greatly， and a series of technology related to pipe sealing has become the key research direction of many researchers. Whether it is mining industry or transportation industry， the tightness of pipe fittings used determines the production development of the industry. For example， the oil casing used in the transportation and exploitation of the oil industry has strict requirements on the tightness of pipe fittings. Generally speaking， the sealing performance of pipe fittings depends on the structural parameters of pipe fittings， and the processing error of thread parameters will change the contact state of metal sealing surface， thus affecting the sealing performance. In this paper， from the actual use， choose the cone / cone， cylindrical / spherical sealing structure of these two special thread joint as the research object， through simulation analysis， finally get the specific influence factors of pipeline thread sealing.

[Keywords]metal seal; thread parameters; sealing performance

近些年來对在石油开采等行业当中使用的金属密封产品，即石油套管的密封性的研究已经成为了众多专家学者重点关注的研究方向。金属管件的密封性能主要体现在接头上，虽然我国很多企业已经设计出了很多特殊螺纹接头，但是，这些接头在使用过程中还存在不少问题。所以，基于上述这些问题，本文对金属密封技术及其在特殊螺纹套管接头设计中的应用进行研究。

1 金属密封原理

金属密封的基本原理：管件接口处在受到外力的作用下，内螺纹与外螺纹相互挤压拉伸，两者会更加压紧，内外螺纹会产生形变，将原本微观上凹凸不平的密封面拉扯填满，进而达到管件密封的目的。

对于金属密封而言，其密封的微观过程如图1所示。

如图1（a）所示的是金属密封过程中的初始接触阶段的金属微观表面。从图中可以看到，此时的金属表面由于没有出现半径的过盈量，所以在其内外螺纹表面存在着极多的凹凸点，且凹凸点未发生变形，不同的凹凸点之间存在着较大的空隙，整体的密封性能并不好。

图1（b）所示的是金属密封过程中的接头与尾部进一步接触挤压阶段的金属微观表面。从图中可以看到，在此时的金属表面，随着两者接触程度的不断加深，内外螺纹之间已经开始出现过盈的情况，各材质表面的凹凸体已经出现了接触、拉伸、延展的情况，不同的凹凸体出现了嵌入的情况。接触部分的表面开始贴合在一起，内外螺纹之间的缝隙进一步减小，密封程度得到了较大的提升。

图1（c）所示的是金属密封过程中的接头与尾部更加深入接触挤压阶段的金属微观表面。从图中可以看出，随着二者接触面积与接触压力的加大，各接触表面间的凹凸体已经出现了挤压、拉伸和形变，原本凹凸不平的平面也相互贴合在一起，整体的密封效果有了很大的提升。

2 金属密封的影响因素

2.1 密封面的表面质量

在金属密封的过程之中，为了获得较好的密封性能，需要尽可能地减少密封面之间的缝隙大小，尽可能扩大各凹凸体的拉伸程度，从而使得内外螺纹之间可能出现泄漏情况的通道面积减少。

一般来说，金属管件的密封性能也会受到其表面凹凸路径形式的影响，如果其表面的凹凸通道为环形凹槽时，其中的液体会更加容易泄漏;如果其表面的凹凸通道为交叉式通道时，其中的液体就会难以泄漏。而金属密封面的表面质量的微观表现在其表面的凹凸点的多少以及凹凸点的具体情况，会直接影响到在充分接触后会形成的凹凸缝隙的形式。所以，金属密封面的表面质量会对管件整体的效果产生影响。

2.2 密封面的表面粗糙度

在金属密封过程中，金属密封面的粗糙度对于密封效果也有着影响。如果金属接触面粗糙度较大，此时密封面的各个凹凸点所产生的形变并不能填满接触面之间的缝隙，还存在着较多的缝隙，还会出现液体泄漏的情况。但是，如果金属密封面的表面粗糙度并不大时，密封接触面上的凹凸点就会比较容易出现形变，在一定情况下甚至会出现永久变形，此时会将表面缺陷填平，使得可能出现的泄漏通道都被堵塞。因此金属密封面的表面粗糙度对密封性能有着较大的影响。

2.3 密封面的表面接触压力

在金属密封过程中，密封面间的表面接触压力对于金属的密封性也会造成极大的影响。据调查研究发现，当接触压力过小时，由于接触压力不够，表面的凹凸点并不会发生形变，缝隙依旧存在，此时液体极其容易发生泄漏;而当接触压力过大时，金属密封管件本身的性能也会受到影响与破坏，从而更容易出现泄漏，且泄漏程度也更大。

3 管道螺纹密封性能分析与静水压测试

3.1 有限元模型建立

在建立模型时，选取的有限元软件是ANSYS15，选取的实际螺纹接头模型的各项数据为：外径243.48 mm、厚度为10.9 mm、弹性模量为202 GPa、屈服强度为760 MPa。其模型如图2所示。

而在管道接头模型当中，采用的分别为锥面/锥面、柱面/球面这两种密封面结构，如图2（a）、（b）所示。

3.2 不同工况下螺纹参数对密封性能的影响

首先应当清楚螺纹的表面结构，其使用的通常都是C-R过盈方式来实现最终的密封的。从图2中可以看出，管体的螺纹牙顶与接头螺纹牙根、罐体导向面间具有间隙;管体螺纹牙根与接头螺纹牙顶径向过盈接触。其中的过盈量的大小受到了整体锥度偏差和中径偏差的影响。接下来，将从螺距偏差、锥度偏差、中径偏差三个方面来分析介绍螺纹参数对金属管件密封性能的影响。

3.2.1 螺距偏差

螺距偏差对于管件的密封性能有着极大的影响。因为螺距本身就是衡量螺纹精度的一个重要参数，因此螺距偏差的大小对于螺纹加工工艺来说是十分重要的。它的值越小，就说明了该管件的密封性能越好。對其在一定有效长度内的积累误差进行了分析，在有效的螺纹长度内以累积偏差0.03 mm为增量作为研究基础，进行有限元分析。

如图3、图4所示为本次的有限元分析结果，从中可以看出，螺距偏差对于锥面/锥面密封结构的影响较大，图中的密封结构在上扣工况下的台肩接触压力会随着螺距偏差的增大而减小，其下降趋势较为明显;在上扣+拉伸工况下可以看出该密封结构的接触压力也会随着螺距偏差的增大而减小。

3.2.2 锥度偏差

在金属密封的过程之中，锥度偏差有可能改变主密封面与台肩结构接触面间的过盈量，也有可能改变其接触长度，故锥度偏差对主密封面与台肩结构接触状态的影响比较复杂。对其利用有限元分析，其结果如图5、图6所示。

从图5和图6分析结果可以看出，锥面/锥面密封结构接头的台肩接触状态受锥度偏差影响较大：在上扣工况下，当外螺纹锥度大于内螺纹时，二者的接触压力随着偏差的增加逐渐下降;在上扣+拉伸工况下，台肩的接触压力随着偏差的增加而逐渐升高。对于柱面/球面密封结构的接头，其台肩的接触压力都随着锥度偏差增加而明显降低。

3.2.3 中径偏差

对于金属密封而言，中径偏差对螺纹的密封性能的影响也比较大，究其原因就在于，当中径配合不同时，会使得螺纹的径向过盈量发生变化，这种变化会直接作用到螺纹部分的径向应力状态，使径向应力状态也受到变化，从而使主密封面结构受其影响，具体的有限元分析结果如图7、8所示。

从图7、图8的分析结果可以看出锥面/锥面密封结构接头的台肩接触状态受中径偏差影响不大;而柱面/球面密封结构的接头在两种工况下台肩的接触压力都会随着中径偏差的增加而升高，整体的密封性能会受到影响。

4 结语

经过本次研究，发现在螺纹结构参数方面，两种密封结构特殊螺纹接头的台肩接触压力对螺距偏差、锥度偏差的大小较为敏感，密封面接触压力则受中径偏差、锥度偏差的影响较大，所以锥度偏差对于密封性能的影响最为显著。

参考文献

[1] 朴龙华.我国特殊螺纹接头油套管生产使用现状及需要注意的几个问题[J].钢管.2006，35（4）：45-48.