API套管强度设计

3API 套管强度
3.1 API 套管抗挤强度 3.1.1屈服挤毁强度值
当外挤压应力作用在套管管壁上使套管材料达到屈服强度时，管体将会发生塑性变形，此时即被认为不安全。

当管体发生塑性变形时，通过承受均匀载荷的厚壁筒的拉梅公式，可推导出如下 API 屈服强度挤毁公式：
当套管的径厚比满足(/)(/)c c yp D D δδ≥时：
co 2(/)1
2[
]
(/)c P c D p Y D δδ-=
式中：p co —屈服抗挤强度，MPa ；
Y p —套管材料的最小屈服强度，MPa （其值钢号字母后面的数据乘以
6.894757）
D c —套管的名义外径，mm ； δ—套管的名义壁厚，mm ；
其中：
(/)c yp p D δ=
472103
2.8762 1.5488510 4.480610 1.62110p p p A Y Y Y ---=+⨯+⨯-⨯
50.0262337.3410p
B Y -=+⨯
4273
465.93 4.4741 2.20510 1.128510p p p C Y Y Y --=-+-⨯+⨯
3.1.2塑性挤毁强度值
当套管的径厚比满足(/)(/)(/)c yp c c pt D D D δδδ≤≤时，套管在外挤压力作用下的挤毁属于塑性强度挤毁，其API 抗挤强度由下式计算。

co 2[
]0.0068947(/)P c A
p Y B C
D δ=--
式中：p co —塑性挤毁强度，MPa ，系数 A 、B 、C 计算同前。

式中（D c /δpt 为
塑性强度挤毁与过度强度挤毁临界点的径厚比，当塑性强度挤毁压力等于过度强度挤毁压力时得出塑性挤毁强度与过度挤毁强度临界值的径厚比，用下面公式计算：
()(/)0.0068947()
p c pt p Y A F D C Y B G δ-=
+-
其中公式的系数 F ，G 由图解法求的，计算如公式
53
2
3/3.23710(
)
2/3/3/[(/)](1)2/2/p B A B A F B A B A Y B A B A B A ⨯+=
--++
(/)G F B A =
3.1.3过渡挤毁强度值
当套管的径厚比满足(/)(/)(/)c pt c c te D D D δδδ≤≤时，套管在外挤压力作用下的挤毁属于过度挤毁（塑弹性挤毁强度），其抗挤强度由下式计算：
co [
]
(/)P c F
p Y G D δ=-
式中：p co —过度挤毁强度，MPa
当过度强度挤毁压力等于弹性强度挤毁压力时，得出过度挤毁强度与弹性挤毁强度临界值的径厚比，计算公式如下式：
2/(/)3/c te B A
D B A δ+=
3.1.4弹性挤毁强度值
当套管的径厚比满足(/)(/)c c te D D δδ≥时，套管在外挤压力作用下的挤毁属于弹性挤毁，其抗挤强度由如下式计算：
5
co 3.23710(/)(/1)c c p D D δδ-⨯=
-
式中：p co —弹性挤毁强度，MPa
式中（D c /δte ）为过度挤毁强度与弹性挤毁强度临界点的径厚比。

3.2 API 套管抗拉强度
套管的抗拉强度是套管重要的力学特性之一，套管设计中对套管的抗拉强度应给予重视，轴向上，在轴向力的作用下，套管接箍螺纹与套管管体的抗拉强度不同，一般螺纹的强度小于管体强度，在进行管柱抗拉设计时，应取两者的最小值。

3.2.1 管体抗拉强度
套管管体的抗拉强度是指当轴向拉力达到套管管体钢材的最小屈服强度时的轴向载荷，其 API 计算公式如下：
422
7.85410()y c ci p
T D D Y -=⨯-
式中：T y —管体屈服强度，kN ；
Y p —套管管材的最小屈服强度，MPa ； D c —套管的公称外径，mm ； D ci —套管的公称内径，mm ；
3.2.2套管螺纹接头强度
随着钻井深度的迅速增加，就要求套管能够承受更高的压力，高压的出现，将带来许多问题，由于一般套管的螺纹连接强度低于管体的抗拉强度，所以真正控制套管抗拉强度的并不是套管管体的抗拉强度，而是套管的螺纹联结强度，而且套管的连接是影响施工成败的关键，因而设计和选择时应该对螺纹强度和螺纹连接扣型进行一些必要的考虑。

一般情况下，两段套管之间的联结通常采用螺纹接箍进行联结，API 对这些螺纹联结的形状，技术规范和标准都有明确的规定，API 套管螺纹类型有圆螺纹（包括短圆螺纹，长圆螺纹），梯形螺纹和无接箍联结（见图2-5）。

对于无接箍联结，本文不做讨论，只对最常用的两种连接口型（圆螺纹，梯形螺纹）进行强度的计算说明。

接箍联结都是通过锥形螺纹，在上紧过程中使得在一定的啮合点，接箍和管子螺纹保持完全紧密的结合。

1）圆螺纹连接 圆螺纹断裂强度值：
49.510o jp p
T A U -=⨯
圆螺纹滑脱强度值：
0.594
4.999.510(
)0.50.140.14c p p
o jp j j c
j c
D U Y T A L L D L D --=⨯+
++
其中：
22
0.7854[( 3.6195)]
jp c ci A D D =--
式中：T o —接头最小抗拉强度，kN ；
A jp —最末完整螺纹处的管壁截面积，mm 2 L j —螺纹的啮合长度，mm ；
U p —螺纹管材的最小屈服强度，MPa ； D c —套管的公称外径，mm ； D ci —套管的公称内径，mm ；
一般在套管设计计算圆螺纹的联结强度时取上面两公式中的最小值 2）梯形螺纹连接
对于梯形螺纹，一般的失效形式有管体螺纹失效和接箍螺纹失效两种，下面是 API 分别给出的管体螺纹强度和接箍螺纹强度的计算公式。

管体螺纹强度值
49.510[25.623 1.007(1.083/)]
o jp p p p c T A U Y U D -=⨯--
接箍螺纹强度值
49.510o jp c
T A U -=⨯
其中：
22
0.785()p c ci A D D =-
220.785()
c cj cj A D
d =-
式中：A c —接箍截面积，mm 2；
A p —套管截面积，mm ； D c —套管的公称外径，mm ； D ci —套管的公称内径，mm ；
U c —接箍管材的最小屈服强度，MPa ；
一般在设计计算梯形螺纹的联结强度时取上面两公式中的最小值 3.3 API 套管抗压强度
套管抗内压强度是指最小内压力达到钢材屈服极限所需的压力。

套管内压失效形式一般有接箍密封不严造成套管泄露；管体破裂和接箍破裂造成套管失效 3.3.1管体破裂
管体破裂压力是指套管的最小内压力达到管体钢材屈服极限所需的压力，API 明确给出了套管管体抗内压强度的计算公式，又称Barlow 公式，该公式考虑了薄壁管不均匀因素的影响，利用承受内压力的薄壁管周向应力而得的。

20.875(
)p bo c
Y p D δ=
式中：P bo —套管管体抗内压强度（最小内部屈服压力），MPa
D c —为套管的公称外径，并非套管内径；
0.875—考虑壁厚不均匀而引入的系数，公式的导出是通过薄壁筒的周
向力公式。