3.5英寸API外加厚油管接头上扣扭矩实验研究
3.5英寸API外加厚油管接头上扣扭矩实验研究
张广路*,1)，杨鹏*，韩军*
*
（中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安710065）
摘要：API圆螺纹外加厚油管在油田现场有广泛应用。而其上扣扭矩是决定螺纹接头性能和使用寿命的核心因素。本文针对3.5英寸P110钢级API外加厚油管，实验研究在使用75%、100%和125%API5C1推荐扭矩值上扣时，油管接头的拉伸性能和抗内压性能。实验结果显示，采用上述不同扭矩上扣，最终油管拉伸性能和抗内压性能未受影响。建议油田现场对API外加厚油管采用低于API5C1推荐值的扭矩上扣，延长接头使用寿命。
关键词：外加厚油管；上扣扭矩；圆螺纹油管；API5C1
引言
接头外加厚油管近年来在油田现场被广泛应用。与传统不加厚油管相比，其主要有以下两个优点：（1）连接强度提高[1]；（2）不易在最后啮合螺纹处发生疲劳破坏[2]。在使用中，外加厚油管接头上扣扭矩是影响其性能和寿命的主要因素。上扣扭矩过大，易造成粘扣；上扣扭矩过小，则会造成上扣不到位。上述两种情况都可能使管柱在螺纹接头处发生泄漏失效或脱扣掉井事故。
API5C1《套管和油管的维护与使用》[2]中，根据螺纹滑脱强度的1%给出了API圆螺纹油管接头的推荐上扣扭矩值。注意到滑脱强度量纲为[力]，而扭矩量纲为[力][长度]，API5C1给出的仅是经验公式。而对于常用的3.5英寸外加厚油管，API5C1表中仅列出最高P105钢级外加厚油管的推荐扭矩值。本文针对3.5英寸P110钢级API外加厚油管，实验研究在使用75%、100%和125%API5C1推荐扭矩值上扣时，油管接头最重要的拉伸和抗内压性能[3]，讨论此油管在使用中的最佳上扣扭矩值。
1实验
1.1试样选择
选择国内某管厂生产的Φ88.90×6.45mm P110EU油管6根，编号为1Y～3Y及1Z～3Z。管体和接箍材料的化学成分、拉伸强度和冲击韧性符合API5CT[4]的规定。接箍采取磷化处理，油管内外螺纹参数符合API5B[5]的规定。
1.2上卸扣试验装置与方法
上卸扣台架为美国Mohr公司生产的立式台架，上卸扣中采用链条夹持油管接箍下1/3处。与卧式上卸扣相比，立式上卸扣更接近油田现场工况。立式上卸扣过程中，油管接头受到弯曲作用，更容易发生粘扣现象。动力大钳选用加拿大FARR KT-LW5500型大钳，最大额定扭矩25354N·m。
1E-mail:zhangguanglu@https://www.360docs.net/doc/a315491368.html,
上扣控制以扭矩控制为主，上扣结束后检查现场端外螺纹接头，如果发现外露扣，则需卸开重上，保证上扣到位。油管上扣控制主要有按扭矩控制和按位置控制两种方法[2,6,7]，此处采取的是油田现场常用的方法。螺纹脂选用API高压螺纹脂SHELL TYPE3。上扣过程中，控制动力大钳上扣速度小于10 r/min。上卸扣试验方法符合API5C5[8]的规定。
按照API5C3[1]中给出的圆螺纹滑脱强度计算公式，代入本文中外加厚油管参数并给最终结果乘以1%，得到推荐上扣扭矩值5740N·m（圆整到10N·m）[2]。首先按照125%推荐扭矩值，即7160N·m对试样做抗粘扣试验，尽可能排除后续试验中螺纹粘扣的可能。其中Y组3根试样两上两卸，Z组3根试样九上九卸。抗粘扣试验后，再将各组的3根试样分别按照推荐扭矩值的125%、100%和75%对现场端最终上扣。
1.3拉伸至失效试验装置与方法
拉伸至失效试验采用美国Mohr公司生产的立式复合加载试验机，最大拉伸载荷13300kN。试样两端采用卡瓦-滑碗座与试验机架连接。加载速度小于14kN/s，保证试样处于静载荷试验状况下。拉伸至失效试验方法符合API5C5[8]的规定。
Y组的3根试样在上卸扣实验后分别装入复合加载试验机完成拉伸至失效试验，测试外加厚油管连接强度。
1.4静水压及内压至失效试验装置与方法
油管两端采用焊接堵头封堵。实验中使用美国Haskel公司生产的气驱高压水泵对油管内部加压。加压速度小于0.7MPa/s。将美国Honeywell Z型压力传感器安装在一端焊接堵头上，记录实验中油管内压变化。静水压实验中保压时间为10分钟。静水压及内压至失效实验方法符合API5CT[4]和API5C5[8]的规定。
Z组的3根试样在上卸扣实验后分别焊接堵头，完成静水压及内压至失效试验，测试外加厚油管密封性能。
2结果与讨论
Y组的3根试样和Z组的3根试样在125%推荐扭矩值反复上卸扣的抗粘扣实验中，均未发生粘扣现象。限于篇幅，此处不再列出每次上扣和卸扣的实际扭矩值。
6根试样最终上卸扣的设定扭矩和实际扭矩值见表1。有表中数据可见，实际上扣扭矩均控制在设定扭矩值的±3%以内，符合标准规定。
Y组3根试样拉伸至失效实验结果如表2所示。三根试样的拉伸至失效载荷值均高于API5C3的规定值[1]。且试样均在管体发生断裂失效，说明接头的连接强度高于管体。不同的上扣扭矩值对外加厚油管整体强度没有影响。
Z组3根试样在API5CT规定的静水压实验[4]中（69MPa，10分钟），均未发生泄漏现象。其内压至失效试验结果见表3。3根试样的失效压力均高于API5C3的规定值[1]，而且都在管体爆破失效，说明三根外加厚油管试样的接头抗内压能力强于管体。不同的上扣扭矩值对外加厚油管整体密封性没有影响。
表1最终上卸扣试验数据
试样编号设定上扣扭矩(N·m)实际上扣扭矩(N·m)
1Y71607120
2Y57405715
3Y43004183
1Z71607145
2Z57405780
3Z43004269
表2拉伸至失效试验结果
试样编号拉伸载荷失效位置
1Y1536.0kN管体断裂失效
2Y1517.7kN管体断裂失效
3Y1536.0kN管体断裂失效
API5C3规定1267.2kN
表3内压至失效试验结果
试样编号失效压力失效位置
1Z144.7MPa管体爆破失效
2Z145.2MPa管体爆破失效
3Z140.8MPa管体爆破失效
API5C3规定96.3MPa
3结论
对国内某管厂生产的Φ88.90×6.45mm P110EU油管采用75%、100%和125%API5C1推荐扭矩值上扣后，分别完成拉伸至失效、静水压及内压至失效实验。实验结果显示，不同上扣扭矩对试验结果的影响在4%以内，且试样失效位置均在管体。说明采用75%的API5C1推荐扭矩值上扣，即可使该外加厚
油管接头具有比管体更好的拉伸强度和抗内压能力。
由于油管接头的使用寿命与其上扣扭矩值成反比[2]，建议使用P110及以上钢级API圆螺纹外加厚油管时采用比API5C1推荐值低的扭矩上扣，延长接头使用寿命。
参考文献
1American Petroleum Institute.API TR5C3Technical report on equations and calculations for casing,tubing,and line pipe used as casing or tubing;and performance properties tables for casing and tubing.First edition,2008
2American Petroleum Institute.API RP5C1Recommended practice for care and use of casing and tubing.Eighteenth edition,1999
3Texter HG.Oil well casing and tubing troubles.Drilling and Production Practice,1955,7-58
4American Petroleum Institute.API SPEC5CT Specifications for casing and tubing.Eighth edition,2005
5American Petroleum Institute.API SPEC5B Specification for threading,gauging,and thread inspection of casing,tubing,and line pipe threads.Fifteenth edition,2008
6史交齐,宋治,张毅.改进上扣控制方法提高油套管螺纹连接质量.石油钻采工艺,1997,19(1):23-29
7吕栓录,宋治.J值在API螺纹连接中含义初探.石油钻采工艺,1995,17(5):53-59
8American Petroleum Institute.API RP5C5Recommended practice on procedures for testing casing and tubing connections.Third edition,2003
Experimental Investigation of Connection Makeup Torque for3-1/2”API
External Upset Tubing
Zhang Guanglu*,1)，Yang Peng*，Han Jun*
*(Tubular Goods Research Center of CNPC，Xian710065，China)
Abstract：API round thread external upset tubing is extensively used in oilfield.Its makeup torque influences the thread connection performance and the joint life significantly.This paper reports experimental investigations of the tension and internal pressure resistance of3-1/2”P110grade API external upset tubing connection,under 75%,100%,and125%of the API5C1recommended makeup torque.Experiment results exhibit that the resistance is not influenced by different makeup torques.In purpose of prolonging joint life,the makeup torque of API external upset tubing is suggested to be lower than that recommended for API5C1.
Key words：external upset tubing；makeup torque；round thread tubing；API5C1
常见油管扣型
常见油管扣型 扣型是工具中最常见的部分，也是比较难区分的一部分。扣型对于工具师或是监督是很重要的，一个工具师如果不了解扣型，要料、准备到指挥作业都是行不通的，要出大问题的。这一周主要是学习认识各种常见扣型，包括油管扣型，冲管扣型，筛管盲管扣型，密封单元连接扣形，钻杆扣型等。 1、常见油管扣型(Tubing Joint) 油管常用扣型分为三种分别是EU、NU和NewVam。这三种扣型在工具车间都能找到，其中EU和NU单独从扣的外观上很难区分，都是三角扣型，但是从整个管柱就能很容易区分，那就是EU表示外加厚NU表示没有外加厚。New Vam实际是一种梯形扣(扣截面呈矩形)，也是不带外加厚的，所以也很容易区分。下面将用示意图详细介绍三种扣型。 1)EU(External upset)外加厚 EU扣是一种外加厚油管扣型。在车间货架上认识变扣接头过程中还会发现三种和EU有关的biano标识。其中EUE(External Upset End)表示外加厚端，EUP(External Upset Pin)表示外加厚公扣，EUB(External Upset Box)表示外加厚母扣。除了用pin和box表示公扣母扣外，其他表示公扣有1. external thread 2. male 3. male thread。母扣有1. female thread 2. internal thread 3. box 4. box thread。 图1-1 EU扣型 2)NU(Non-upset)没有外加厚 NU表示是没有外加厚的油管接头。除了没有外加厚外和EU一般还有一种区别就是NU一般每英寸10扣，EU一般每英寸8扣。其中NUE表示非加厚端或者说端部非加厚。同样E表示End。[以上说法来源《石油大典》。] 图1-2 NU扣型 3)New VAM 这种扣型特点是扣截面基本为矩形，螺距间隔相等，锥度不大，没有外加厚。在车间的生产滑套套筒端部见到。 图1-3 New VAM扣型 2.钻杆常用扣型总结 钻杆扣一般常见为REG和IF扣，其他如FH等在工具车间没有找到。根据师傅经验REG 扣和IF扣一般分别是5扣/in和4扣/in，但是大于4-1/2”即使是4扣/in也是REG扣，也就是说大于4-1/2”一般都是REG扣，小于4-1/2”IF扣较多。 1)REG(API Regular Thread)API标准里的正规扣型 正规型钻杆接头采用的螺纹。该型螺纹曾用于连接内加厚钻杆，形成钻杆接头内径小于钻杆加厚端内径，而钻杆加厚端内径又小于钻杆管体内径的通径。[见于95-96页《油气田井下作业修井工程》聂海光王新河等，石油工业出版社2002年2月北京第一版]
油管、套管规格尺寸对照表
A P I油管规格及尺寸 公称尺寸（in）不加厚外径 （mm） 不加厚内径 （mm） 加厚外径 （mm） 加厚内径 （mm） 不加厚接箍 外径（mm） 加厚接箍 外径（mm） 1 1/ 2 48.3 40.3 53.2 40.3 55 63.5 2 3/ 8 60.3 50.3 65.9 50.3 73 78 2 7/ 8 73.0 62.0 78.6 62.0 89.5 93 3 1/ 2 88.9 75.9 95.25 75.9 107 114.5 4 101.6 88.6 107.95 88.6 121 127 4 1/ 2 114.3 100.3 120.65 100.3 132.5 141.5 －1－
石油油管螺纹代号对照表 平式油管螺纹外加厚油管螺纹 GB9253.3 YB239-63 GB9253.3 YB239-63 1.900TBG 1 1/ 2 " 平式扣 1.900UPTBG 1 1/ 2 " 外加厚扣 2 3/ 8 TBG 2" 平式扣 2 3/ 8 UPTBG 2" 外加厚扣 2 7/ 8 TBG 2 1/ 2 " 平式扣 2 7/ 8 UPTBG 2 1/ 2 " 外加厚扣 3 1/ 2 TBG 3" 平式扣 3 1/ 2 UPTBG 3" 外加厚扣 4 TBG 3 1/ 2" 平式扣4UPTBG 3 1/ 2 " 外加厚扣 4 1/ 2 TBG 4" 平式扣 4 1/ 2 UPTBG 4" 外加厚扣 －2－
套管规格及尺寸 外径mm（in）接箍外径 （mm） 内径 （mm） 通径 （mm） 外径 mm（in） 接箍外径 （mm） 内径 （mm） 通径 （mm） 114.3 （4 1/ 2） 127.0 103.9 100.7 177.8 （7） 194.5 166.1 162.9 102.9 99.7 164.0 160.8 101.6 98.4 161.7 158.5 99.6 96.4 159.4 156.2 127 （5）141.3 115.8 112.6 193.7 （7 5/ 8 ） 215.9 178.5 175.3 114.1 111.0 177.0 173.8 112.0 108.8 174.6 171.5 108.6 105.4 171.8 168.7 139.7 （5 1/ 2） 153.7 127.3 124.1 219.1 （8 5/ 8 ） 244.5 205.7 202.5 125.7 122.6 203.7 200.5 124.3 121.1 201.2 198.0 121.4 118.2 198.8 195.6 －3－
表-常用油管尺寸与性能知识
石油油管基本常识 一、石油管有关基本知识 1、石油管相关专用名词解释 API：它是英文American Petroleum Institute的缩写，中文意思为美国石油学会。 OCTG：它是英文Oil Country Tubular Goods的缩写，中文意思为石油专用管材，包括成品油套管、钻杆、钻铤、接箍、短接等。 油管：在油井中用于采油、采气、注水和酸化压裂的管子。 套管：从地表面下入已钻井眼作衬壁，以防止井壁坍塌的管子。 钻杆：用于钻井眼的管子。 管线管：用于输送油、气的管子。 接箍：用于连接两根带螺纹管子并具有内螺纹的圆筒体。 接箍料：用于制造接箍的管子。 API螺纹：API 5B标准规定的管螺纹，包括油管圆螺纹、套管短圆螺纹、套管长圆螺纹、套管偏梯形螺纹、管线管螺纹等。 特殊扣：具有特殊密封性能、连接性能以及其它性能的非API螺纹扣型。 失效：在特定的服役条件下发生变形、断裂、表面损伤而失去原有功能的现象。油套管失效的主要形式有：挤毁、滑脱、破裂、泄漏、腐蚀、粘结、磨损等。 2、石油相关标准 API 5CT：套管和油管规范（目前最新版为第8版） API 5D：钻杆规范（目前最新版为第5版） API 5L：管线钢管规范（目前最新版为第43版） API 5B：套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范 GB/T 9711.1-1997：石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分：A级钢管 GB/T9711.2-1999：石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分：B级钢管 GB/T9711.3-2005：石油天然气工业输送钢管交货技术条件第3部分：C级钢管 3、英制与米制换算值 1英寸(in)=25.4毫米(mm) 1英尺(ft)=12英寸(in)=0.3048米(m) 1平方英寸(sp.in)=645.16平方毫米(mm2) 1磅(lb)=0.45359千克(kg)
套管上扣扭矩表
套管上扣扭矩表一、339.7mm（133/8”）套管(单位:N*M) 钢级壁厚mm 长园扣短园扣 最佳最小最大最佳最小最大 H-408.38436532815464 J-559.65696952338718 10.928067604710087 12.199152686011443 K-559.65741655599224 10.928582644010725 13.069735730812175 C-7513.0613260995216582 N-8013.06141001057517625 C-9513.06163241224320405二、244.5mm（95/8”）套管 钢级壁厚mm 长园扣短园扣 最佳最小最大最佳最小最大 H-407.92344425904311 8.94398629966684 J-558.94614246107674534240136684 10.03705052888813612845967660 K-558.94663049758284637542987172 10.03760657089504658949498243 C-7510.039409706411769 11.0510521789013151 11.9911551866414140 13.84135451015516934 N-8010.039992749812487 11.0511185839313978 11.9912270920615334 13.84143991080618005 C-9510.0311484860914358 11.0512853964016066 11.99141001057517625 13.84165411240520676 P11011.05149951125318751 11.99164461233820554 13.84192801446624106 注：1b.ft(磅/英尺)=1.355818N.m；1kg.m=7.233b.ft(磅/英尺)；Psi（磅/英寸2）=6.894757kpa (千帕)；kg.cm2=98.0665kpa；m(米)=3.28048ft(英尺)；kg.．m＝9.80655N．m；