一种石油专用管超弹性应变密封新技术

王新虎 吕永鹏 王建东 王 鹏 潘宝昌

1. “石油管材及装备材料服役行为与结构安全”国家重点实验室 2.中国石油集团工程材料研究院有限公司3. 西安石油大学 4. 宝鸡石油钢管有限责任公司

0 引言

我国很多高温高压天然气井在井筒环空带压情况下生产，管柱螺纹泄漏是原因之一，例如在塔里木油田，使用国内外多种特殊螺纹油管，井筒密封性仍然无法保障，说明现用特殊螺纹接头很难确保油井的密封完整性[1-3]。因此，深入研究石油专用管密封机理，发展密封新方法，才可能进一步提高石油专用管接头的密封性能。

1 基本理论

石油专用管接头最常用的密封技术是金属对金属径向接触密封，一般采用接触压应力设计法进行设计，保证在密封面上形成足够及合理的压应力分布[4-6]，显然密封面必须保持足够光滑才能确保密封性。但因制造技术限制，所以密封面直径、粗糙度、不圆度很可能超过偏差，而且无法排除个别管子出现较大缺陷[7]。所以即使密封接触压力符合设计要求，仍然可能存在小的泄漏通道[8-9]。

在油套管下井过程中，即使接头连接上扣扭矩曲线很完美，但管柱在遇阻时的多次上提下放和旋转以及在生产过程中高压气流导致的管柱振动等因素都可能导致螺纹松动，发生泄漏。

针对只依靠应力设计不能避免管柱接头密封面出现泄漏通道[10]的问题，笔者提出将弹性应变设计作为压应力设计方法的补充[11-13]，即密封面的弹性应变量应大于已经存在或将来可能出现的泄漏通道，可以表达为：

式中kε表示弹性应变设计因子，εe表示密封面弹性应变量，mm；δ表示泄漏通道量，即密封面表面质量、密封结构尺寸偏差以及螺纹松动等造成的密封面局部间隙，mm；kεs表示安全裕量，显然当kεs≥1时，泄漏不发生。

以套管钢级P110为例，分析一种特殊螺纹套管密封结构是否符合上述设计要求。该套管外径为140 mm，主密封位置壁厚为4 mm，密封圆周直径为130 mm，直径偏差小于0.04%，密封面粗糙度（Ra）小于等于1.6 μm。密封面压应力（σe）设计值介于600～ 700 MPa。

可能有两种泄漏通道，一种是密封面上存在制造缺陷或外力损伤。密封面粗糙度设计值小于等于1.6 μm，可以认为密封面存在深度小于等于1.6 μm的泄漏通道。按照该套管主密封处壁厚4 mm，估算得到密封面弹性应变量为εe=4 mm×0.3%=12 μm。另一种泄漏通道是密封面圆周外径出现制造偏差或接头松动。密封圆周外径偏差设计值小于等于0.04%的泄漏通道，可以认为密封面存在小于等于0.4%的泄漏通道。密封面压应力（σe）设计值介于600～700 MPa，根据钢的应力应变曲线，密封位置钢铁材料弹性应变量为小于等于0.3%。这两种情况下计算得到弹性应变设计因子均是：

分析结果说明，如果制造质量符合设计要求，那么该套管接头就具有良好密封性。然而，如果密封面出现深度大于12 μm的缺陷，或者接头上扣扭矩不足，或管柱振动导致密封面在直径方向出现0.3%以上的松动，那么该套管接头就失去密封性，这时计算得到弹性应变设计因子：

为了满足式（1），要么减小泄漏通道的大小，即将密封面缺陷深度控制在12 μm以内，确保接头不发生0.3%以上的松动，然而这是很困难的事情。最好办法就是将密封位置材料弹性应变量至少提高到

为了确保密封结构密封性，安全裕量kε要增大，如果将安全裕量增大到2，密封材料弹性应变量就应达到0.6%。如果将安全裕量增大到7，密封材料弹性应变量就应达到2.1%。这显然超过了钢铁材料的弹性应变量，但可以找到其他具有高弹性甚至超弹性的合金材料用于制造密封结构。

2 技术方法

按照上文分析结果，为了确保石油专用管接头密封性，密封材料弹性应变量应该至少大于0.3%。为了进一步提高安全裕量，密封材料弹性应变量应更大，例如大于2.1%，就超过了传统钢铁材料的弹性应变量，需要使用一些超弹性材料，所以笔者将此密封技术称为超弹性应变密封技术。

超弹性材料很多，包括金属材料及非金属材料。但由于非金属材料存在各种缺点，本文优选超弹性形状记忆合金材料实现石油专用管接头密封结构。形状记忆合金（SMA）的记忆效应是由马氏体相变与逆相变诱发，其马氏体相变不仅可由温度引起，也可以由应力诱发马氏体相变。图1是各温度下形状记忆合金应力诱发马氏体相变与逆相变示意图，在环境温度（T1）低于母相奥氏体开始转变温度（As）情况下，当应力超过σMs1就会发生应力诱发马氏体相变，合金变形。随后即使卸掉应力，但由于没有发生奥氏体相变，所以合金应变仍然存在，但如果把合金加热到As以上，奥氏体相变发生，合金残余应变消失，又重新恢复到原来形状，这属于形状记忆效应，不属于超弹性效应。

图1 形状记忆合金应力诱发马氏体相变与逆相变示意图

但在环境温度（T2）高于形状记忆合金（SMA）马氏体逆相变终了转变温度（Af）情况下，如图1所示，即在母相奥氏体状态下，合金在外力作用下变形，当外力大于σMs2时，就会发生应力诱发马氏体相变，随着应变与应力增大，马氏体量逐渐增多，直到应力达到σMf2马氏体转变完成。相反当应力减少到σAs2时，马氏体又会向母相奥氏体转变，形变也随之开始消失，直到应力减少到零时，合金形状恢复到原母相奥氏体状态[14-15]。由于这个形变远大于合金的弹性极限量，因此称为超弹性（SE），又被称为伪弹性。一些形状记忆合金的超弹性应变量介于7%～8%，或更高，远远超过一般金属材料的弹性应变（不超过0.5%）。

可以应用堆焊、喷涂、电镀、3D打印等增材制造技术将超弹性形状记忆合金覆合在石油专用管接头密封结构表面，也可以将超弹性形状记忆合金制成的密封圈放置在石油专用管接头密封部位（如图2所示）[12-13,16]。密封面和与之匹配的密封圈表面形状可以是锥面、球面、柱面或其他形状。

图2 钢管螺纹接头密封结构示意图

在石油专用管螺纹接头上扣连接过程中，随着上扣扭矩的增多，密封面接触压应力由0逐渐增高，并产生弹性应变（图3-a直线段OMs2）。随着上扣扭矩的增加，当接触应力达到临界值时，密封合金发生马氏体相变，产生伪弹性应变（图3-a曲线段Ms2Mf2）。如果接触压应力超过一定值时，马氏体转变完成，此时进入马氏体加载阶段，合金发生弹性应变（图3-a直线段Mf2σy），直到接触压应力达到合金屈服强度（σy），发生塑性变形。所以接触压应力应控制在合金屈服强度以下。当螺纹接头卸扣时，随着扭矩的下降，密封面接触压应力逐渐减少，合金材料开始弹性卸载，当接触应力降低到临界值时，合金发生奥氏体相变，产生非线性应变回复（图3-a曲线段As2Af2）。当合金全部转变为奥氏体后，又表现为奥氏体弹性卸载性能（图3-a直线段σe），直到接触压应力达到0，应变也回复到0，残余应变也为0。合金的这种非线性弹性实质上是相变伪弹性，其应变量显著超过线弹性，所以被称为超弹性，相应的应力应变曲线呈现图3-a所示的“小旗帜”形状的滞后环曲线。合金的超弹性应变可以达到8%。

图3 Ti-Ni-X合金形状记忆合金应力应变滞后环线图

石油专用管下入在井中后，温度升高，密封面材料也会发生马氏体逆相变即奥氏体相变，产生应变回复，密封面接触会更紧密。如果石油专用管在下井过程或在井下服役过程中，因倒扣或振动等各种因素发生螺纹松动，密封面压应力减少，材料也会发生马氏体逆相变即奥氏体相变，产生应变回复，确保密封面始终密切接触，封堵泄漏通道。如果需要修井，在管柱起出地面后，温度重新升到地面环境温度，当螺纹接头卸扣分离后，密封面压应力将降到零，应变也几乎完全恢复到原来状态，该油管仍然可以再次投入使用。

在加、卸载过程中，超弹性形状记忆合金材料能够吸收许多能量，表现出阻尼特性，应力—应变关系出现迟滞效应，也能阻碍螺纹接头的振动松扣，进一步提高石油专用管的结构完整性和密封完整性。

笔者优选了一种Ti-Ni-X合金，图3-b是该合金的拉伸应力—应变循环曲线，第1次（N=1）卸载后残余应变为0.4%。第3次（N=3）卸载后残余应变为1.6%。超弹性拉伸应变量为6%。

图3-c是该Ti-Ni-X合金的压缩应力—应变循环曲线，第3次（N=3）卸载后残余应变量不到0.6%，第11次（N=11）卸载后残余应变量不到1%。超弹性压缩应变量为5%。

3 试验验证

按照上文描述的理论和方法，设计并制造了密封环式超弹性应变密封套管（图4），套管规格是Ø139.7 mm×9.17 mm、钢级是P110，外螺纹接头端部被设计成台肩形式，密封面为圆锥面，外螺纹接头如图4-b所示。用Ti-Ni-X合金制造密封环（图4-c）。

在内外螺纹上扣装配前，将超弹性密封环套装在外螺纹接头端部，或放置在内螺纹接头内，当内外螺纹接头装配一起后，密封环在壁厚方向发生弹性压缩变形，密封环内外表面与内外螺纹接头主密封面过盈接触，形成了超弹性应变密封结构（图4-a）。

图4 超弹性合金密封结构照片

主密封面可以设计为圆柱面、圆锥面、台阶圆柱面或其他曲面，外螺纹接头与内螺纹接头的各种形状密封面可以自由配对。金属密封环为圆柱形、圆锥形或其他形状。

对套管进行上卸扣试验，螺纹脂采用Shell Type III型，用量25～30 g，上扣速度5～10 r/min，每次卸扣后检查螺纹及金属密封环状况。共进行了3次上扣、两次卸扣试验，上扣扭矩最大值13 020 N·m、最小值为11 050 N·m。卸扣后，可以看到密封环紧密套装在外螺纹端部密封圆锥面上（图4-d），密封环形状良好，没有发生损伤。

按照API RP 5C5（2017版）规定，该套管进行了 CAL III & IV级B系密封试验。按照API SPEC 5CT规定的套管最小屈服强度、规定外径、规定壁厚计算试验参数，高温屈服强度按照比例系数ktemp=0.875计算。接头的拉伸与压缩效率都为100%。最大试验载荷达到95%的管体应力包络线，最高试验温度为180 ℃，最高内压达90 MPa。试验结果良好，没有发生泄漏。

4 结论

虽然石油专用管特殊螺纹接头设计方法不断进步，但仍然可能存在或出现泄漏通道。本文提出在密封面压应力设计基础上，增加弹性应变设计，由此发展出了超弹性应变密封技术。使用超弹性材料可以实现该技术，按照此原理设计的密封环超弹性应变密封套管成功通过了API RP 5C5（2017版）规定的 CAL Ⅲ & Ⅳ级B系列密封试验，验证了超弹性应变密封技术的有效性，该技术可能成为新一代石油专用管及井口管件密封的技术基础，有望提高气井管柱和井口管件的密封性。