一種石油專用管超彈性應變密封新技術

王新虎 呂永鵬 王建東 王 鵬 潘寶昌

1. “石油管材及裝備材料服役行為與結構安全”國家重點實驗室 2.中國石油集團工程材料研究院有限公司3. 西安石油大學 4. 寶雞石油鋼管有限責任公司

0 引言

我國很多高溫高壓天然氣井在井筒環空帶壓情況下生產，管柱螺紋泄漏是原因之一，例如在塔里木油田，使用國內外多種特殊螺紋油管，井筒密封性仍然無法保障，說明現用特殊螺紋接頭很難確保油井的密封完整性[1-3]。因此，深入研究石油專用管密封機理，發展密封新方法，才可能進一步提高石油專用管接頭的密封性能。

1 基本理論

石油專用管接頭最常用的密封技術是金屬對金屬徑向接觸密封，一般采用接觸壓應力設計法進行設計，保證在密封面上形成足夠及合理的壓應力分布[4-6]，顯然密封面必須保持足夠光滑才能確保密封性。但因制造技術限制，所以密封面直徑、粗糙度、不圓度很可能超過偏差，而且無法排除個別管子出現較大缺陷[7]。所以即使密封接觸壓力符合設計要求，仍然可能存在小的泄漏通道[8-9]。

在油套管下井過程中，即使接頭連接上扣扭矩曲線很完美，但管柱在遇阻時的多次上提下放和旋轉以及在生產過程中高壓氣流導致的管柱振動等因素都可能導致螺紋松動，發生泄漏。

針對只依靠應力設計不能避免管柱接頭密封面出現泄漏通道[10]的問題，筆者提出將彈性應變設計作為壓應力設計方法的補充[11-13]，即密封面的彈性應變量應大于已經存在或將來可能出現的泄漏通道，可以表達為：

式中kε表示彈性應變設計因子，εe表示密封面彈性應變量，mm；δ表示泄漏通道量，即密封面表面質量、密封結構尺寸偏差以及螺紋松動等造成的密封面局部間隙，mm；kεs表示安全裕量，顯然當kεs≥1時，泄漏不發生。

以套管鋼級P110為例，分析一種特殊螺紋套管密封結構是否符合上述設計要求。該套管外徑為140 mm，主密封位置壁厚為4 mm，密封圓周直徑為130 mm，直徑偏差小于0.04%，密封面粗糙度（Ra）小于等于1.6 μm。密封面壓應力（σe）設計值介于600～ 700 MPa。

可能有兩種泄漏通道，一種是密封面上存在制造缺陷或外力損傷。密封面粗糙度設計值小于等于1.6 μm，可以認為密封面存在深度小于等于1.6 μm的泄漏通道。按照該套管主密封處壁厚4 mm，估算得到密封面彈性應變量為εe=4 mm×0.3%=12 μm。另一種泄漏通道是密封面圓周外徑出現制造偏差或接頭松動。密封圓周外徑偏差設計值小于等于0.04%的泄漏通道，可以認為密封面存在小于等于0.4%的泄漏通道。密封面壓應力（σe）設計值介于600～700 MPa，根據鋼的應力應變曲線，密封位置鋼鐵材料彈性應變量為小于等于0.3%。這兩種情況下計算得到彈性應變設計因子均是：

分析結果說明，如果制造質量符合設計要求，那么該套管接頭就具有良好密封性。然而，如果密封面出現深度大于12 μm的缺陷，或者接頭上扣扭矩不足，或管柱振動導致密封面在直徑方向出現0.3%以上的松動，那么該套管接頭就失去密封性，這時計算得到彈性應變設計因子：

為了滿足式（1），要么減小泄漏通道的大小，即將密封面缺陷深度控制在12 μm以內，確保接頭不發生0.3%以上的松動，然而這是很困難的事情。最好辦法就是將密封位置材料彈性應變量至少提高到

為了確保密封結構密封性，安全裕量kε要增大，如果將安全裕量增大到2，密封材料彈性應變量就應達到0.6%。如果將安全裕量增大到7，密封材料彈性應變量就應達到2.1%。這顯然超過了鋼鐵材料的彈性應變量，但可以找到其他具有高彈性甚至超彈性的合金材料用于制造密封結構。

2 技術方法

按照上文分析結果，為了確保石油專用管接頭密封性，密封材料彈性應變量應該至少大于0.3%。為了進一步提高安全裕量，密封材料彈性應變量應更大，例如大于2.1%，就超過了傳統鋼鐵材料的彈性應變量，需要使用一些超彈性材料，所以筆者將此密封技術稱為超彈性應變密封技術。

超彈性材料很多，包括金屬材料及非金屬材料。但由于非金屬材料存在各種缺點，本文優選超彈性形狀記憶合金材料實現石油專用管接頭密封結構。形狀記憶合金（SMA）的記憶效應是由馬氏體相變與逆相變誘發，其馬氏體相變不僅可由溫度引起，也可以由應力誘發馬氏體相變。圖1是各溫度下形狀記憶合金應力誘發馬氏體相變與逆相變示意圖，在環境溫度（T1）低于母相奧氏體開始轉變溫度（As）情況下，當應力超過σMs1就會發生應力誘發馬氏體相變，合金變形。隨后即使卸掉應力，但由于沒有發生奧氏體相變，所以合金應變仍然存在，但如果把合金加熱到As以上，奧氏體相變發生，合金殘余應變消失，又重新恢復到原來形狀，這屬于形狀記憶效應，不屬于超彈性效應。

圖1 形狀記憶合金應力誘發馬氏體相變與逆相變示意圖

但在環境溫度（T2）高于形狀記憶合金（SMA）馬氏體逆相變終了轉變溫度（Af）情況下，如圖1所示，即在母相奧氏體狀態下，合金在外力作用下變形，當外力大于σMs2時，就會發生應力誘發馬氏體相變，隨著應變與應力增大，馬氏體量逐漸增多，直到應力達到σMf2馬氏體轉變完成。相反當應力減少到σAs2時，馬氏體又會向母相奧氏體轉變，形變也隨之開始消失，直到應力減少到零時，合金形狀恢復到原母相奧氏體狀態[14-15]。由于這個形變遠大于合金的彈性極限量，因此稱為超彈性（SE），又被稱為偽彈性。一些形狀記憶合金的超彈性應變量介于7%～8%，或更高，遠遠超過一般金屬材料的彈性應變（不超過0.5%）。

可以應用堆焊、噴涂、電鍍、3D打印等增材制造技術將超彈性形狀記憶合金覆合在石油專用管接頭密封結構表面，也可以將超彈性形狀記憶合金制成的密封圈放置在石油專用管接頭密封部位（如圖2所示）[12-13,16]。密封面和與之匹配的密封圈表面形狀可以是錐面、球面、柱面或其他形狀。

圖2 鋼管螺紋接頭密封結構示意圖

在石油專用管螺紋接頭上扣連接過程中，隨著上扣扭矩的增多，密封面接觸壓應力由0逐漸增高，并產生彈性應變（圖3-a直線段OMs2）。隨著上扣扭矩的增加，當接觸應力達到臨界值時，密封合金發生馬氏體相變，產生偽彈性應變（圖3-a曲線段Ms2Mf2）。如果接觸壓應力超過一定值時，馬氏體轉變完成，此時進入馬氏體加載階段，合金發生彈性應變（圖3-a直線段Mf2σy），直到接觸壓應力達到合金屈服強度（σy），發生塑性變形。所以接觸壓應力應控制在合金屈服強度以下。當螺紋接頭卸扣時，隨著扭矩的下降，密封面接觸壓應力逐漸減少，合金材料開始彈性卸載，當接觸應力降低到臨界值時，合金發生奧氏體相變，產生非線性應變回復（圖3-a曲線段As2Af2）。當合金全部轉變為奧氏體后，又表現為奧氏體彈性卸載性能（圖3-a直線段σe），直到接觸壓應力達到0，應變也回復到0，殘余應變也為0。合金的這種非線性彈性實質上是相變偽彈性，其應變量顯著超過線彈性，所以被稱為超彈性，相應的應力應變曲線呈現圖3-a所示的“小旗幟”形狀的滯后環曲線。合金的超彈性應變可以達到8%。

圖3 Ti-Ni-X合金形狀記憶合金應力應變滯后環線圖

石油專用管下入在井中后，溫度升高，密封面材料也會發生馬氏體逆相變即奧氏體相變，產生應變回復，密封面接觸會更緊密。如果石油專用管在下井過程或在井下服役過程中，因倒扣或振動等各種因素發生螺紋松動，密封面壓應力減少，材料也會發生馬氏體逆相變即奧氏體相變，產生應變回復，確保密封面始終密切接觸，封堵泄漏通道。如果需要修井，在管柱起出地面后，溫度重新升到地面環境溫度，當螺紋接頭卸扣分離后，密封面壓應力將降到零，應變也幾乎完全恢復到原來狀態，該油管仍然可以再次投入使用。

在加、卸載過程中，超彈性形狀記憶合金材料能夠吸收許多能量，表現出阻尼特性，應力—應變關系出現遲滯效應，也能阻礙螺紋接頭的振動松扣，進一步提高石油專用管的結構完整性和密封完整性。

筆者優選了一種Ti-Ni-X合金，圖3-b是該合金的拉伸應力—應變循環曲線，第1次（N=1）卸載后殘余應變為0.4%。第3次（N=3）卸載后殘余應變為1.6%。超彈性拉伸應變量為6%。

圖3-c是該Ti-Ni-X合金的壓縮應力—應變循環曲線，第3次（N=3）卸載后殘余應變量不到0.6%，第11次（N=11）卸載后殘余應變量不到1%。超彈性壓縮應變量為5%。

3 試驗驗證

按照上文描述的理論和方法，設計并制造了密封環式超彈性應變密封套管（圖4），套管規格是?139.7 mm×9.17 mm、鋼級是P110，外螺紋接頭端部被設計成臺肩形式，密封面為圓錐面，外螺紋接頭如圖4-b所示。用Ti-Ni-X合金制造密封環（圖4-c）。

在內外螺紋上扣裝配前，將超彈性密封環套裝在外螺紋接頭端部，或放置在內螺紋接頭內，當內外螺紋接頭裝配一起后，密封環在壁厚方向發生彈性壓縮變形，密封環內外表面與內外螺紋接頭主密封面過盈接觸，形成了超彈性應變密封結構（圖4-a）。

圖4 超彈性合金密封結構照片

主密封面可以設計為圓柱面、圓錐面、臺階圓柱面或其他曲面，外螺紋接頭與內螺紋接頭的各種形狀密封面可以自由配對。金屬密封環為圓柱形、圓錐形或其他形狀。

對套管進行上卸扣試驗，螺紋脂采用Shell Type III型，用量25～30 g，上扣速度5～10 r/min，每次卸扣后檢查螺紋及金屬密封環狀況。共進行了3次上扣、兩次卸扣試驗，上扣扭矩最大值13 020 N·m、最小值為11 050 N·m。卸扣后，可以看到密封環緊密套裝在外螺紋端部密封圓錐面上（圖4-d），密封環形狀良好，沒有發生損傷。

按照API RP 5C5（2017版）規定，該套管進行了 CAL III & IV級B系密封試驗。按照API SPEC 5CT規定的套管最小屈服強度、規定外徑、規定壁厚計算試驗參數，高溫屈服強度按照比例系數ktemp=0.875計算。接頭的拉伸與壓縮效率都為100%。最大試驗載荷達到95%的管體應力包絡線，最高試驗溫度為180 ℃，最高內壓達90 MPa。試驗結果良好，沒有發生泄漏。

4 結論

雖然石油專用管特殊螺紋接頭設計方法不斷進步，但仍然可能存在或出現泄漏通道。本文提出在密封面壓應力設計基礎上，增加彈性應變設計，由此發展出了超彈性應變密封技術。使用超彈性材料可以實現該技術，按照此原理設計的密封環超彈性應變密封套管成功通過了API RP 5C5（2017版）規定的 CAL Ⅲ & Ⅳ級B系列密封試驗，驗證了超彈性應變密封技術的有效性，該技術可能成為新一代石油專用管及井口管件密封的技術基礎，有望提高氣井管柱和井口管件的密封性。