娄　琦，李东风，杨　鹏，王　蕊，韩　军

(中国石油集团石油管工程技术研究院，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　陕西　西安　710077)



套管及油管螺纹连接热循环试验载荷的探讨*

娄琦，李东风，杨鹏，王蕊，韩军

(中国石油集团石油管工程技术研究院，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陕西西安710077)

摘要:针对套管及油管螺纹连接的全尺寸热循环试验，分析了现行国际标准对于载荷点的规定，指出了其中存在的问题;进而设计出了新的试验载荷点;根据试验载荷包络线有效试验区域的确定，探讨了新试验载荷点的合理性。结果表明:试验程序的改进，有效提升了套管和油管的评价方法的科学性。

关键词:全尺寸试验;热循环试验;试验载荷包络线;载荷点

0　引言

套管和油管是石油工业油气勘探开发及钻采过程中不可或缺的专用管材，其质量的好坏直接影响着钻采作业的成败、油气田生产的成本和使用寿命。随着油气田勘探开发力度的加大，深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、定向井、水平井等油气井不断增多，严苛工况油气井勘探开发对油套管的质量和性能也提出了越来越苛刻的要求［1］。单根油管或套管通过螺纹接头连接形成油管柱或套管柱，螺纹接头部分成为管柱中的重要组成部分。在油气井中，油/套管柱长期承受拉伸、压缩、弯曲、内压、外压及温度等载荷产生的复合应力的考验［2］，因此，除常规的材料性能、几何尺寸、无损检测、螺纹参数需满足产品标准要求外，管柱其整体性能亦尤为重要，不仅需要具备符合生产要求的结构完整性，还需要有良好的抗粘扣性能和密封性能［3，4］。

ISO 13679:2002［5］是现行的套管及油管螺纹连接试验程序国际标准，其试验目的是评价套管、油管及其螺纹连接的粘扣趋势、密封性能和结构完整性。该标准是目前国际上评价油/套管最为严格和全面的试验标准，自实施以来为制造厂验证其设计产品的性能，以及为油田用户确定产品的适用性发挥了无可替代的作用。标准中引入了试验载荷包络线(TLE)，并将其作为试验和评价的准则。试验载荷包络线根据Von Mises最小形变能准则计算得出，用来描述管体/接头复合承载能力的临界点，在保证安全的前提下使试样承受尽可能高的载荷或复合载荷，以评价油/套管的密封性能和结构完整性是否满足设计或使用要求。

标准中的试验载荷包络线试验，主要评价油/套管的密封性能，根据涉及载荷种类的不同，分为A系试验、B系试验和C系试验三个部分。其中，C系试验为拉伸和内压条件下的热循环试验，其试验目的为评估服役条件下，在拉伸和内压加速作用下的接头在热循环时泄漏的可能性。标准中给出了热循环试验载荷点的设置方法，在实际试验过程中发现，其复合载荷超过管体理论可承受的轴向总载荷，认为此为不妥之处。根据实验室全尺寸评价试验经验，采用标准使用的计算方法，通过探讨和对比分析，设计出新的热循环试验载荷点，为科学合理的进行油/套管螺纹连接试验，科学评价产品全尺寸性能具有积极的意义和重要的作用。

1　标准中热循环试验载荷点分析

采用标准中适用于最苛刻用途的接头使用级别的热循环试验为例，介绍试验的过程，论证载荷点。即将阐述的问题，在套管和油管螺纹连接的全尺寸实物评价试验中均存在，为简化论述，选取一种规格的套管展开分析。

1.1热循环试验

在试验中，施加到试样上的载荷为:轴向拉伸框架载荷(Fi)、内压(pi)和温度(高温不小于180℃);试样实际承受的载荷，由两个重要的参数来表示: VME应力(冯·米塞斯等效应力，σv)和轴向总载荷(Fa)，其中轴向总载荷包括框架作用的轴向载荷(Fi)和压力引起的轴向载荷(FCEPL)，文中室温和高温的符号均增加a或e标记。

试验的过程，如图1所示。试验可以分为:室温下的内压/拉伸载荷循环，温度循环和高温下内压/拉伸载荷循环三部分。其中，室温下的内压/拉伸载荷循环的载荷点LPa，包含轴向框架拉伸载荷和内压两种载荷，即为室温下最大的机械载荷;温度循环和高温下内压/拉伸载荷循环的载荷点LPe，同样也包含轴向框架拉伸载荷和内压两种载荷，即为高温下最大的机械载荷。

图1　热循环试验过程

1.2载荷点设置

以某Φ177.80 mm×9.19 mm P110特殊螺纹套管为例，套管的管体和接箍等强度，试验依据的试样参数，见表1。

表1　试样参数

假定螺纹连接与管体效率等同，室温或高温VME等效应力载荷选用管体或接箍材料的室温或高温实测最小屈服强度、管体名义外径和管体实测最小壁厚为试验载荷的计算依据。标准对热循环试验载荷点的定义，简述如下。室温最大机械载荷(室温载荷点LPa):拉伸载荷取80％屈服载荷;内压载荷取95％ VME应力包络线载荷。高温最大机械载荷(高温载荷点LPe):内压和室温下的内压相同，拉伸载荷取90％ VME应力包络线载荷。标准中，没有明确的表述拉伸载荷为Fi还是Fa，因此，本文将分为两个方案分别阐述。

第一种方案:此处的拉伸载荷为轴向框架拉伸载荷(Fi)，试验载荷点和加载路径，如图2所示。图中展示了室温下管体100％ VME包络线，即为管柱理论承受的最大载荷;室温下管体95％ VME包络线，是标准设定的室温试验载荷包络线，即由增加了安全系数的最大试验载荷组成，LPa为其中的一点;高温管体95％ VME包络线，即为高温下试验载荷包络线，LPe为其中的一点。从图中可以看出，在室温条件下，对管体施加轴向框架拉伸载荷Fi

a=80％ Fta，再施加内压pi

a，达到95％ VME包络线载荷，而此时LPa的轴向总载荷Faa＞Ft

a，因此，在该载荷点，管体承受了超过其理论承载能力的轴向总载荷，是危险的。此为该方案计算得到载荷点的不合理之处。

图2　方案一热循环试验加载路径和载荷点

进行高温下的载荷循环和温度循环时，载荷点具有和室温载荷点相同的内压，再施加达到高温90％ VME包络线载荷，虽然此时LPe的轴向总载荷，同样是不合理的。

对于试验载荷点的安全区域，也称之为有效试验区域，如图3所示。图中阴影面积区域由试验载荷点组成，图(a)中所示的室温95％VME包络线之内的区域，为理论上室温载荷的试验区域，在其中的载荷点都是安全的，包络线上的载荷点为最大载荷点;高温的载荷区域也有相应的表示。而实际上，载荷包络线上及其内轴向总载荷超过95％的区域是超过管材设计承载能力的，高温同理。因此，安全有效的试验区域，应如图(b)所示。

显然，方案一计算出的载荷点LPa和LPe均不在安全有效的试验区域，该方案不合理。

图3　有效试验区域

第二种方案:此处的拉伸载荷为轴向拉伸总载荷(Fa)，即。通过轴向总载荷和VME应力同时达到设计要求来计算试验载荷点，如图4所示。从图中可以看出，室温载荷点LPa在有效试验区域内。标准要求，那么，所有符合该条件的载荷点，均超出了高温条件下的有效试验区域，VME应力超出了高温90％ VME包络线，无法确定出符合条件的LPe，此为该方案计算载荷点的不合理之处。

因此，采用标准中热循环试验的程序设计方法，不管其中表述不清楚的拉伸载荷为Fi还是Fa，均存在不合理之处，无法得到安全有效的试验载荷点。

图4　方案二热循环试验加载路径和载荷点

2　热循环试验载荷点新方案

方案二中计算出的载荷点LPa在安全有效的试验区域内，并且使管柱同时承受了较大的轴向框架载荷和内压，对于检验管柱承受载荷循环的能力，是合理的、恰当的。

在设计的新方案(方案三)中，室温载荷点LPa采用与方案二相同的方法确定，即施加，同时满足和室温95％ VME包络线载荷。高温载荷点LPe的计算，不再采用标准要求的高温和室温内压相同这一条件，将其变更为LPe的载荷同时满足和高温90％ VME包络线载荷。载荷点和加载路径，如图5所示。

图5　方案三热循环试验加载路径和载荷点

通过新方案的载荷点计算和设定方法，设计的室温和高温载荷点，以及加载过程中的过渡试验点，均在安全有效的试验区域内，解决了标准中程序计算方法带来的加载载荷不合理的问题，通过理论分析和多种规格的油管和套管的全尺寸实物试验验证，均证明该方案能充分满足试验目的要求。方案三中新的热循环试验载荷点，因其科学性和合理性，为科学合理的进行油/套管螺

纹连接试验，科学评价产品全尺寸性能具有积极的意义，也给解决实际试验问题，提供了新思路。

3　结论

1)现行国际标准中，关于套管和油管螺纹连接热循环试验载荷的计算，因载荷点超出安全有效的试验范围，为不合理的程序设计方法。

2)通过使管柱承受的轴向框架拉伸载荷和内压在室温和高温同时满足轴向总载荷和相应VME应力载荷的要求，计算出了合理有效的试验载荷点。

3)实际试验表明，改进设计的载荷点，满足热循环试验目的实现要求。

参考文献

［1］李鹤林.石油管工程文集［M］.北京:石油工业出版社，2011: 33－128.

［2］宋治，冯耀荣.油井管与管柱技术及应用［M］.北京:石油工业出版社，2007: 1－144.

［3］Payne M L，Schwind B E.A New International Standard for Casing/Tubing Connection Testing［C］.SPE/IADC 52846，1999.

［4］冯耀荣，韩礼红，张福祥，等.油气井管柱完整性技术研究进展与展望［J］.天然气工业，2014，34(11): 73－81.

［5］ISO.ISO 13679－2002，Petroleum and natural gas industries －procedures for Casing and Tubing Connections［S］.Switzerland: ISO copyright office，2002.

Speculation on Thermal Cycling Test Loads of Casing and Tubing Connections

LOU Qi，LI Dongfeng，YANG Peng，WANG Rui，HAN Jun
(CNPC Tubular Goods Research Institute，State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:Aiming at thermal cycling test of casing and tubing thread connections，the specification of the current international standard on test loads is analyzed，and the existing problems were pointed out.And then a new program to calculate the test loads is designed.According to the confirmed effective test area of the test load envelope，the rationally of new procedure of thermal cycling test loads was tested.The results indicate that the evaluation method of casing and tubing based on the improved the rest procedure is more scientific.

Key words:full-scale tests; thermal cycling tests; test load envelope; load point

(收稿日期:2015－11－30编辑:屈忆欣)

第一作者简介:娄琦，女，1981年生，工程师，2008年毕业于中国石油大学(华东)材料学专业，现在石油管工程技术研究院从事油套管质量评价及试验研究工作。E-mail: louq@ cnpc.com.cn

基金项目:中国石油集团石油管工程技术研究院项目“复合加载试验系统能力开发与试验技术研究”(项目编号: TGRI－2014－YK－19)

中图法分类号:TE931

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0029－03