石油油管螺纹密封初探

 

2018-12-05 11:01

  对石油油管螺纹密封的机理进行了初步探讨。明确提出在密封接触面之间存在“环状压力接触区”的新概念以及该环状压力接触区的不可间断性是保证可靠密封的必要条件。为从设计、加工及使用等各环节保证石油油管螺纹水压密封的可靠性确定了理论基础。

  石油油管螺纹是一种石油行业专用螺纹,主要用于石油油管连接以及与石油油管连接的各种配件上,是一种不需要任何密封填料(如麻丝、纱线、石棉纤维、橡胶等),只需涂以合适的螺纹密封脂就能达到密封的圆锥形螺纹。其内、外螺纹互相结合时定心、导向作用好,装配、拆卸方便,能承受较大的轴向力,互换性好,寿命长,可以多次重复使用。由于以上这些特点,在石油工业中,其用量很大,用途很广,特别是其水压密封的可靠性在使用上更具有十分重要的作用。然而,对这种螺纹的密封机理的了解和研究,目前国内外尚未发现有关较完整的论述。本文试图从生产的实际出发对这种螺纹的密封机理进行初步探讨。

  当一对内、外锥面互相配合时,只要端面余量足够,就可用轴向位移实现结合面处的过盈。并可用提高结合面处的加工质量、增大轴向力的方法增加接触面处的接触面积和压力,从而获得更加紧密的环状压力接触区。接触区面积越大形成渗漏通道的可能性也越小,密封性能越可靠。而石油油管螺纹就是一种带有螺纹沟槽的特殊锥面密封形式——锥管螺纹密封。

  锥管螺纹连接时只要端面余量(紧密距)足够,就可旋紧螺纹而产生轴向位移很容易地得到一个密封面处的预紧力。

  通过对锥面密封形式的讨论,当内、外锥管螺纹互相配合时,在结合面处必须形成一个连续的、不间断的环状压力接触区才能保持密封。在石油油管螺纹锥面上,由于螺牙的存在增大了锥形螺旋面的接触面积,造成了使压力介质难于通过的迷宫式曲径。这一点对密封是有利的,但也同时使螺纹接触面上各种接触误差增大,这又增加了渗漏的可能性。这就要求这种锥管螺纹在设计、制造时各几何要素应尽量准确。并在使用过程中施加拧紧力时使其内、外螺纹紧密旋合产生一定的过盈量,使螺牙受挤压、拉伸、弯曲等产生复杂的变形、弥补接触面之间的缺陷、堵塞接触面上存在的间隙,切断渗漏通道。

  按GB9253.3—88《石油油管螺纹》标准从石油油管螺纹标准牙形的轴向剖面来看 (见图1,P为螺距,H为原始三角形高度,hcs=hcn为牙顶削平高度,hrs=hrn为牙底削平高度,hs=hn为牙形高度),内、外螺纹手紧后螺牙两侧面理论上应成无间隙接触,而牙顶和牙底处分别有最大为0.076mm(hcs-hrn=0.432 -0.356=0.076)新月形间隙存在。这就使环状压力接触区在牙顶和牙底处发生断裂,形成两条沿牙顶和牙底螺旋线形的渗漏通道。为堵塞这两条渗漏通道,只要把螺纹继续拧紧(用铰旋机或其它拧紧机械)到轴向移动2.42mm,此时螺牙刚好径向移动0.076mm。

  这时螺牙两侧面受压缩变形、牙顶被挤压而伸长,实际上不一定要轴向移动2.42mm就可以达到全牙接触,以达到密封的要求。

  经过以上分析,可以得出结论:任何形式的密封都不外乎是对互相结合的接触面之间可能出现的间隙——渗漏通道进行堵塞,抵抗压力介质的挤压。而要达到这一目的就要做到尽量减小接触面间的微观、宏观误差,减小间隙和保持一个适当的预紧力而形成一个连续的、不间断的“环状压力接触区”。

  同时,也必须看到在这个环状压力接触区内情况是十分复杂的、区内受压接触的面形状是“支离破碎”的,是十分不规则的。而且有各种互相作用的力。但前提必须是这一接触区不能间断,一旦间断就会泄漏。而对于石油油管螺纹来说螺牙的变形对保持接触区不间断具有十分重要的意义,它可以弥补各种误差使接触面积增加,而堵塞渗漏通道。

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