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摘 要：本文对油套管特殊螺纹接头的发展概况进行查询及研究，针对本公司开发的JIP特殊螺纹接头，研究配套的加工设备、刀具及加工工艺。通过以上研究，获得气密封套管螺纹接头的配套加工工艺，并加工了合格特殊螺纹接头样品，进行了现场上卸扣试验，初步验证了特殊螺纹接头结构及参数设计的合理性。
关键词：油套管；特殊螺纹；密封结构；加工工艺；样品
1 前言
随着深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、重腐蚀井、定向井等的开采，对油套管提出了越来越苛刻的技术要求。API圆螺纹和偏梯形螺纹接头在气密封性、连接强度和耐腐蚀性方面都不能够满足开采环境条件恶劣的油气井的需求[1]。特殊螺纹接头与API接头截然不同，狭义的特殊螺纹接头是指高密封性能的螺纹接头，尤其是指带金属对金属密封面的螺纹接头。
我国的特殊螺纹油套管的产量和使用量均未达到国际一般水平，这主要是因为国内企业在特殊螺纹接头开发方面投入和技术积累还不够，即使已具备加工特殊螺纹接头的设备条件，但特殊螺纹加工技术滞后，造成不能实现批量生产。特殊螺纹接头的基本结构设计和主要参数的范围确定，只是特殊螺纹接头研发工作的一部分，还需要通过研究配套的加工设备与工艺，保证特殊螺纹接头的设计要求，最终形成批量生产的能力。
2 特殊螺纹接头设计思路
特殊螺纹接头在气密封、连接强度、抗粘扣、耐应力腐蚀、抗热冲击等方面的使用性能都优于API 螺纹接头，这主要是由于特殊螺纹接头在结构设计上与API 螺纹有着根本的不同，除了连接螺纹外还增加了密封结构和扭矩台肩。
2.1螺纹设计
由于增加了密封结构，螺纹不再起主要密封作用，特殊螺纹接头普遍采用连接效率高的偏梯形螺纹，如改变承载面和导向面角度，以提高接头抗复合载荷的能力，同时兼顾上扣操作的方便性，目的是减少螺纹干涉量，改善接头应力分布，降低峰值应力，提高接头的连接强度和耐应力腐蚀能力。
孚瑞特公司开发的JIP特殊螺纹接头采用锥度1：16的偏梯形螺纹形式，但这种偏梯螺纹与标准的API偏梯螺纹不同，而是作了一些改变：
（1）导向面角25°，较平缓，上紧螺纹时对扣准，不易错扣；
（2）承载面角-3°，螺纹外形呈倒钩状，提高螺纹抗复合载荷的能力；
（3）优化螺纹间隙，减小螺纹干涉量，防止粘扣等。
2.2密封结构设计
特殊螺纹接头的气密封性、耐粘扣性都与接头的密封结构紧密相联。因此，在确定螺纹接头密封结构型式、尺寸以及公差时，要同时考虑接头的密封性能和抗粘结性能。
接头密封完整性设计中密封结构选型是关键，常见的密封结构形式主要有：锥面-锥面、球面-锥面、球面-柱面等几种类型[2]。锥面/锥面密封接触面积大，在同样的接触压力下可以获得较好的密封效果，但加工时对两个密封面的锥度要求高，锥度不匹配会大大降低密封效果；球面/锥面、球面/柱面密封需较高的接触压力才能获得与锥面/锥面密封同样的密封效果，这就需要平衡接触压力和接触面积，以获得最佳密封效果。
2.3扭矩台肩设计
API 螺纹接头对上扣机紧扭矩难以有效控制，而且也不能承受较高的扭矩负载。为了克服API 接头的不足以适应油田开采的需要， 特殊螺纹接头增加了扭矩台肩，保证上扣许用扭矩值范围宽又能胜任苛刻的开采环境，有良好的超扭矩阻抗性能。
扭矩台肩的设计，需要处理好它与螺纹、密封结构的相互位置关系，达到如下要求： （1） 保证接头密封功能完好，包括上扣时密封面配合良好和承载时不会造成密封面关键部位塑变降低密封性能；（2） 控制上扣机紧扭矩，限定螺纹机紧过盈量，提高螺纹抗粘扣能力；（3） 有可靠的承受超扭矩载荷的能力。
扭矩台肩设计好坏，直接影响接头的连接性能。螺纹接头在热采井中受热冲击作用产生很大的拉伸和压缩热应力，所以扭矩台肩应能承受超过材料屈服强度的压应力。
3 特殊螺纹接头加工刀具及加工工艺设计
在特殊螺纹接头的设计开发过程中，全尺寸实验是验证设计结果的重要步骤，为此，利用专用数控车床，在Ф177.8×10.36mm的P110钢级套管上加工出JIP特殊螺纹接头。
在加工特殊螺纹接头过程中严格按照 API RP 5C5全尺寸实验标准进行加工，加工的试样包含了螺纹及密封过盈量可能出现的各种情况，使试样具有典型代表性。
3.1加工设备
特殊螺纹接头的加工特别是全尺寸试验试样的加工需要在高精度特殊螺纹车床上完成，以保证试样获得极限配合状态。孚瑞特公司选择在日本进口高精度车床SL-803C上进行试样加工。
3.2加工刀具
JIP特殊螺纹接头螺纹为偏梯形倒勾状螺纹，并调整了加工公差和齿高，需重新设计加工刀具；密封部位和扭矩台肩的加工需要较高的光洁度和精度，宜采用精车刀；端面、外圆、内孔等部位的加工均采用普通车刀。
3.2.1外螺纹刀具
根据JIP特殊螺纹加工工艺要求及现有机床的工装，需要配备外螺纹加工刀具5个，设计定做密封面精车刀、特殊螺纹梳刀及配套刀杆，其余刀片均为标准系列。加工刀具方案如表3-1所示。
3.2.2内螺纹刀具
内螺纹加工需要刀具4个，新设计刀杆2把，即螺纹梳刀杆和精车刀杆；螺纹梳刀为专用单齿螺纹梳刀，精车刀与外螺纹精车刀相同。
3.3检测设备及仪器
根据JIP特殊螺纹接头的结构特点，结合API标准检测设备及量具的主要检验项目有：螺距、齿高、锥度、紧密距或螺纹中径、密封面直径、密封面深度等。其中螺距、齿高、锥度、紧密距或螺纹中径等常规检验项目是保证螺纹加工精度的参数，而密封面直径、密封面深度等是保证密封面加工精度的参数。螺距、齿高、锥度的测量工具和测量方法与API偏梯螺纹基本相同，只是内螺纹齿高不是常规的1.575mm，齿高规及齿高校块仍使用API齿高规和校块，校"零"时补偿齿高偏差即可；使用MRP中径规测量螺纹中径值，代替螺纹配合紧密距的测量，并制作了相应标块；另外，设计制造了螺纹密封面直径和密封面深度量具和校块。
4 特殊螺纹接头样品加工
根据JIP特殊螺纹接头的加工图纸和全尺寸试验标准的要求，结合孚瑞特公司的实际情况，在同一台SL803C数控车床上实现内、外螺纹样品的加工，全面检验样品参数，为了检验加工图纸的合理性和可行性，在现场进行了上、卸扣试验。
为了包含所有螺纹及密封配合情况，共加工8组样品，24个外螺纹样品，16个内螺纹样品1。通过对加工的套管外观检查，螺纹表面无毛刺，密封面光滑，过渡部位圆滑；齿形及密封面放大50倍投影对比样片，加工的螺纹齿形、密封面的轮廓与样片完全重合，满足设计要求。
在上、卸扣试验过程中，螺纹啮合情况良好，密封部位已经产生过盈，螺纹部位有一定间隙，是设计所需要的。卸扣后，螺纹和密封面完好，可以进行下一步的拉伸、气密性以及热循环等试验。
5 结语
本文针对自主开发的JIP特殊螺纹接头的设计思路和要求，分析研究了配套的加工设备、刀具、量具及加工工艺，并加工出特殊螺纹接头样品，进行了上、卸扣试验，初步验证了JIP特殊螺纹接头加工图纸的合理性和可行性，完成了产品的初步开发，为下一步全尺寸试验做好了准备。
关键词：油套管；特殊螺纹；密封结构；加工工艺；样品
1 前言
随着深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、重腐蚀井、定向井等的开采，对油套管提出了越来越苛刻的技术要求。API圆螺纹和偏梯形螺纹接头在气密封性、连接强度和耐腐蚀性方面都不能够满足开采环境条件恶劣的油气井的需求[1]。特殊螺纹接头与API接头截然不同，狭义的特殊螺纹接头是指高密封性能的螺纹接头，尤其是指带金属对金属密封面的螺纹接头。
我国的特殊螺纹油套管的产量和使用量均未达到国际一般水平，这主要是因为国内企业在特殊螺纹接头开发方面投入和技术积累还不够，即使已具备加工特殊螺纹接头的设备条件，但特殊螺纹加工技术滞后，造成不能实现批量生产。特殊螺纹接头的基本结构设计和主要参数的范围确定，只是特殊螺纹接头研发工作的一部分，还需要通过研究配套的加工设备与工艺，保证特殊螺纹接头的设计要求，最终形成批量生产的能力。
2 特殊螺纹接头设计思路
特殊螺纹接头在气密封、连接强度、抗粘扣、耐应力腐蚀、抗热冲击等方面的使用性能都优于API 螺纹接头，这主要是由于特殊螺纹接头在结构设计上与API 螺纹有着根本的不同，除了连接螺纹外还增加了密封结构和扭矩台肩。
2.1螺纹设计
由于增加了密封结构，螺纹不再起主要密封作用，特殊螺纹接头普遍采用连接效率高的偏梯形螺纹，如改变承载面和导向面角度，以提高接头抗复合载荷的能力，同时兼顾上扣操作的方便性，目的是减少螺纹干涉量，改善接头应力分布，降低峰值应力，提高接头的连接强度和耐应力腐蚀能力。
孚瑞特公司开发的JIP特殊螺纹接头采用锥度1：16的偏梯形螺纹形式，但这种偏梯螺纹与标准的API偏梯螺纹不同，而是作了一些改变：
（1）导向面角25°，较平缓，上紧螺纹时对扣准，不易错扣；
（2）承载面角-3°，螺纹外形呈倒钩状，提高螺纹抗复合载荷的能力；
（3）优化螺纹间隙，减小螺纹干涉量，防止粘扣等。
2.2密封结构设计
特殊螺纹接头的气密封性、耐粘扣性都与接头的密封结构紧密相联。因此，在确定螺纹接头密封结构型式、尺寸以及公差时，要同时考虑接头的密封性能和抗粘结性能。
接头密封完整性设计中密封结构选型是关键，常见的密封结构形式主要有：锥面-锥面、球面-锥面、球面-柱面等几种类型[2]。锥面/锥面密封接触面积大，在同样的接触压力下可以获得较好的密封效果，但加工时对两个密封面的锥度要求高，锥度不匹配会大大降低密封效果；球面/锥面、球面/柱面密封需较高的接触压力才能获得与锥面/锥面密封同样的密封效果，这就需要平衡接触压力和接触面积，以获得最佳密封效果。
2.3扭矩台肩设计
API 螺纹接头对上扣机紧扭矩难以有效控制，而且也不能承受较高的扭矩负载。为了克服API 接头的不足以适应油田开采的需要， 特殊螺纹接头增加了扭矩台肩，保证上扣许用扭矩值范围宽又能胜任苛刻的开采环境，有良好的超扭矩阻抗性能。
扭矩台肩的设计，需要处理好它与螺纹、密封结构的相互位置关系，达到如下要求： （1） 保证接头密封功能完好，包括上扣时密封面配合良好和承载时不会造成密封面关键部位塑变降低密封性能；（2） 控制上扣机紧扭矩，限定螺纹机紧过盈量，提高螺纹抗粘扣能力；（3） 有可靠的承受超扭矩载荷的能力。
扭矩台肩设计好坏，直接影响接头的连接性能。螺纹接头在热采井中受热冲击作用产生很大的拉伸和压缩热应力，所以扭矩台肩应能承受超过材料屈服强度的压应力。
3 特殊螺纹接头加工刀具及加工工艺设计
在特殊螺纹接头的设计开发过程中，全尺寸实验是验证设计结果的重要步骤，为此，利用专用数控车床，在Ф177.8×10.36mm的P110钢级套管上加工出JIP特殊螺纹接头。
在加工特殊螺纹接头过程中严格按照 API RP 5C5全尺寸实验标准进行加工，加工的试样包含了螺纹及密封过盈量可能出现的各种情况，使试样具有典型代表性。
3.1加工设备
特殊螺纹接头的加工特别是全尺寸试验试样的加工需要在高精度特殊螺纹车床上完成，以保证试样获得极限配合状态。孚瑞特公司选择在日本进口高精度车床SL-803C上进行试样加工。
3.2加工刀具
JIP特殊螺纹接头螺纹为偏梯形倒勾状螺纹，并调整了加工公差和齿高，需重新设计加工刀具；密封部位和扭矩台肩的加工需要较高的光洁度和精度，宜采用精车刀；端面、外圆、内孔等部位的加工均采用普通车刀。
3.2.1外螺纹刀具
根据JIP特殊螺纹加工工艺要求及现有机床的工装，需要配备外螺纹加工刀具5个，设计定做密封面精车刀、特殊螺纹梳刀及配套刀杆，其余刀片均为标准系列。加工刀具方案如表3-1所示。
3.2.2内螺纹刀具
内螺纹加工需要刀具4个，新设计刀杆2把，即螺纹梳刀杆和精车刀杆；螺纹梳刀为专用单齿螺纹梳刀，精车刀与外螺纹精车刀相同。
3.3检测设备及仪器
根据JIP特殊螺纹接头的结构特点，结合API标准检测设备及量具的主要检验项目有：螺距、齿高、锥度、紧密距或螺纹中径、密封面直径、密封面深度等。其中螺距、齿高、锥度、紧密距或螺纹中径等常规检验项目是保证螺纹加工精度的参数，而密封面直径、密封面深度等是保证密封面加工精度的参数。螺距、齿高、锥度的测量工具和测量方法与API偏梯螺纹基本相同，只是内螺纹齿高不是常规的1.575mm，齿高规及齿高校块仍使用API齿高规和校块，校"零"时补偿齿高偏差即可；使用MRP中径规测量螺纹中径值，代替螺纹配合紧密距的测量，并制作了相应标块；另外，设计制造了螺纹密封面直径和密封面深度量具和校块。
4 特殊螺纹接头样品加工
根据JIP特殊螺纹接头的加工图纸和全尺寸试验标准的要求，结合孚瑞特公司的实际情况，在同一台SL803C数控车床上实现内、外螺纹样品的加工，全面检验样品参数，为了检验加工图纸的合理性和可行性，在现场进行了上、卸扣试验。
为了包含所有螺纹及密封配合情况，共加工8组样品，24个外螺纹样品，16个内螺纹样品1。通过对加工的套管外观检查，螺纹表面无毛刺，密封面光滑，过渡部位圆滑；齿形及密封面放大50倍投影对比样片，加工的螺纹齿形、密封面的轮廓与样片完全重合，满足设计要求。
在上、卸扣试验过程中，螺纹啮合情况良好，密封部位已经产生过盈，螺纹部位有一定间隙，是设计所需要的。卸扣后，螺纹和密封面完好，可以进行下一步的拉伸、气密性以及热循环等试验。
5 结语
本文针对自主开发的JIP特殊螺纹接头的设计思路和要求，分析研究了配套的加工设备、刀具、量具及加工工艺，并加工出特殊螺纹接头样品，进行了上、卸扣试验，初步验证了JIP特殊螺纹接头加工图纸的合理性和可行性，完成了产品的初步开发，为下一步全尺寸试验做好了准备。