钻杆螺纹biaozhun

石油常用专用管螺纹和管材的类型及规格
一、前言
在石油工业发展过程中，API系列规范的石油管专用螺纹起着不可或缺的作用。石油管专用螺纹主要分为两大类：用于井下工具及钻柱构件连接的石油钻具接头螺纹及用于油套管连接的油套管接头螺纹。
随着油井气钻采作业向更深、更高压力和更高温度等更苛刻工况条件的方向发展，而且石油钻采工艺技术不断的进步，常规石油管螺纹很难满足油田的开发需求。本文就石油常用专用管螺纹和管材的主要类型、规格及发展现状作相应的介绍。
二、钻具接头螺纹
钻具接头螺纹用于如钻铤、钻杆、钻具稳定器及转换接头等钻井工具及钻柱构件的连接。目前生产和检验依据的标准主要是API SPEC 7。（螺纹外观见图3）
API SPEC 7称钻具接头螺纹为“旋转台肩连接”，是石油钻探行业连接钻柱构件最主要的机械机构。这种带锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连结部分直径误差的特点，因此互换性程度高、结合紧密和装拆容易。其技术特点为英制锥管螺纹、有台肩连接、三角形螺纹，在管材连接中应用极为广泛。其主要螺纹型式如表1所示。
表1：钻具接头螺纹类型
序号    螺纹型式    英文写法    螺纹牙型    规格与种类
1    数字型（NC）    Number style connection theads    V-0.038R    NC23-NC77共计13种
2    内平型（IF）    Internal-flush style connection threads    V-0.065    23/8in-51/2in共计6种
3    贯眼型（FH）    Full-hole style connection threads    V-0.065V-0.050V-0.040    31/2in-65/8in共计5种
4    正规型（REG）    Regular style connection threads    V-0.050V-0.040    23/8in-85/8in共计8种
1. 内平型螺纹
该型钻具接头螺纹连接外加厚或内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径、管体加厚内径与管体内径相等或近似的通径。所有规格螺纹均采用V-0.065平顶平底三角形牙型，这种牙型为平牙底，牙顶较宽度为0.065英寸（1.651mm）。除51/2IF外，其它规格螺纹的因结构尺寸与相应的数字型螺纹完全相同，故具有互换性。该型螺纹因其牙型结构易导致应力集中，API已将其淘汰，其中包括41/2IF和4IF，它们就是曾经在我油田被大量使用的410、411和4A10、4A11，取而代之的是NC50和NC46数字型螺纹。
图1 V-0.038R、V-0.050和V-0.040牙型    图2 V-0.065和V-0.055牙型
2. 贯眼型螺纹
该型钻杆接头螺纹连接内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径和加厚端内径相等，而均小于钻杆管体内径的通径。该型螺纹的规格虽然为数不多，但却使用了V-0.065、V-0.050（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.050英寸，1.27mm）和V-0.040（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.040英寸，1.02mm）三种牙型，曾经被广泛用于水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤和钻头。现在除51/2FH和65/8FH两种使用V-0.050牙型、1:6锥度的大规格螺纹外，其余均在API淘汰螺纹之列。其中唯一使用V-0.065牙型的4FH与内平型螺纹一样被数字型螺纹NC40所取代。
3. 正规型螺纹
该型钻杆接头螺纹曾用于连接内加厚钻杆，形成钻杆接头内径小于加厚内径，而钻杆加厚端内径又小于管体内径的通径。API设计正规型螺纹的主要目的是将其应用于钻头连接，由于钻头位于钻柱末端，在这里螺纹牙底的应力集中现象的存在与否无关紧要，因而API把它们所有规格全数保留下来。该型使用V-0.050和V-0.040牙型，在API SPEC 7第四十版中新增添了使用V-0.055（平牙底，牙顶宽度为0.055英寸，1.397mm）牙型的1REG和11/2REG两种规格螺纹。
4. 数字型螺纹
这是以螺纹基面中径的英寸和十分之一英寸的数字值表示的螺纹。所有规格螺纹采用V-0.038R平顶圆底三角形牙型，这种牙型的特点是圆形牙底半径为0.038英寸（0.965mm），其牙型见图1。数字型螺纹是API推荐优先使用的螺纹，该型螺纹还有1:6和1:4两种型式，应用于方钻杆、钻杆、钻铤、钻具稳定器等钻井工具，在大庆油田NC50螺纹还用在钻头上。
螺纹型式V-0.038R指的是螺纹牙底圆弧半径0.038in（0.965mm）的V型螺纹，即数字型螺纹。V-0.040、V-0.050、V-0.065、V-0.055中各自的数字代表V型螺纹牙顶宽度的英寸数。这四种螺纹的牙底形状完全不同，V-0.040的螺纹牙底圆弧半径为0.020in（0.51mm），V-0.050的螺纹牙底圆弧半径为0.025in（0.635mm），V-0.065和V-0.055的螺纹牙底是平面。这些螺纹型式见图1、图2。
图3 钻具接头螺纹
5. 钻具螺纹检测与识别
螺纹在生产过程中按API标准规定使用螺纹工作规检验螺纹紧密距，按一定的检验周期使用钻具螺纹单项检测仪对螺距和锥度进行检测。
使用现场对已磨损的螺纹可以使用牙型规检查螺纹牙的磨损情况，其剩余牙顶宽度不低于原牙顶宽度的1/2，剩余牙顶高不低于原牙顶高的2/3，磨损牙数不超过3.5牙时，螺纹仍可继续使用，否则应进行修扣处理。
使用现场对螺纹进行识别最有效的方法是使用接头尺，这种尺是一种有专门标记了外螺纹根部直径和内螺纹扩锥孔直径的游标卡尺，使用简便、直观、准确。此外，还可以直接使用长脚游标卡尺结合钢直尺测量外螺纹根部外径、长度、内螺纹扩锥孔径对照螺纹规范查询。
螺纹竖直放置，从正面看螺旋线上升方向可判别螺纹旋向，向右上升为右旋，向左上升为左旋。
钻具螺纹的三位数表示法是冶金工业部标准SYB12604-63中规定接头的代号，第一位数字表示接头的通称尺寸，第二位数字表示接头的类型，第三位数字表示接头的内外螺纹，具体表示方法用下表说明：
第一位数字    第二位数字    第三位数字
通称尺寸    接头类型    内外螺纹
3    4    5    6    1    2    3    0    1
31/2    41/2    51/16    65/8    内平    贯眼    正规    内螺纹    外螺纹
淘汰螺纹与数字型螺纹的互换对照表：
数字型螺纹    淘汰螺纹    SYB12604规定的代号
NC26    23/8IF    2A10、2A11
NC31    27/8IF    210、211
NC38    31/2IF    310、311
NC40    4FH
NC46    4IF    4A10、4A11
NC50    41/2IF    410、411
6. 钻具接头螺纹主要失效形式
经过多年的生产实践，钻杆接头螺纹主要失效形式如下几种。
1）粘扣和胀扣：发生在有较高的轴向压力情况下，外螺纹强制进入内螺纹，引起内螺纹胀开或粘扣而造成联接失效；上紧扭矩过高或井下产生过高扭矩时，也会因胀扣或粘扣而失效。
2）螺牙剪切失效：螺牙剪切失效也往往发生在最末完全扣处，螺纹锥度越大、螺纹越短越易出现剪切失效。
3）断裂：因为在最末完全扣处应力最大，断裂往往发生在螺纹最末完全扣。
4）滑扣：当螺纹锥度较大时，上紧圈数未达到适当圈数而扭矩就已达到推荐值，此时承受轴向拉力作用，易发生脱扣；当螺纹间隙充填物不合理时也有这种可能性。
5）倒扣：较小的上紧扭矩可能导致螺纹不能承担施加的轴向载荷和井下扭矩，从而造成倒扣失效，可能造成部分钻柱掉入井内，甚至还会造成井眼报废。
6）刺扣和密封失效：钻柱的扭转振动造成钻柱旋转速度时快时慢，当钻柱突然加速旋转时，扭矩可能突然增加，因钻柱与井壁、外螺纹与内螺纹间的交互作用使得在接头处产生很高的热量，从而螺纹脂从螺纹间隙流出，可能造成密封失效，同时高压流体沿着螺纹间隙从管内流出，引起刺扣；轴向拉力也会降低密封能力；上紧扭矩过小，过低的螺纹过盈量也导致较低的密封能力；钻柱的横向振动使钻柱承受交变的弯曲应力同样会造成密封失效；加工误差，不合理的公差配合也是一个重要的原因。
7. 高疲劳强度钻具螺纹接头的应用
随着深井钻井的逐年增多，钻具断裂事故也在增加。其中90%是底部钻具螺纹接头的疲劳断裂，而这其中80%属于外螺纹接头的疲劳断裂。主要原因是由于外载和预载荷在钻具头外螺纹接头各圈螺纹牙上的分配为不均匀，螺纹最后啮合区（LET）的螺纹牙承受了大部分载荷，其中第一牙承担的载荷约占总载荷的30%，因此钻具外螺纹接头很容易在此处发生疲劳断裂。所以降低LET区螺纹牙载荷成为延长钻具外螺纹接头疲劳寿命的重要途径。据此，石油管材研究所开发研究一种高疲劳强度钻具外螺纹接头——LETR外螺纹接头。这种接头螺纹最后啮合区（LET）的第一螺纹牙承担的载荷降低了约为25%，载荷在各圈螺纹牙上分配比普通接头均匀。其结构特点是降低了螺纹最后啮合区（LET）的螺纹牙型高度，在提高疲劳强度同时，保持与API钻具螺纹接头相同的抗扭强度、上卸扣性能和密封性能，与API钻具接头螺纹互换。加工原理就是切削去API外螺纹最后啮合区（LET）的螺纹牙型高度的一部分。此螺纹在新疆油田应用于底部钻具上，效果良好，大大提高了钻具的疲劳寿命。目前针对大庆油田深井钻采作业的开展，我们将试用LETR钻具螺纹。
三、油套管螺纹
油套管是石油钻采工程中要求高、用量大的深度机械加工产品。使用螺纹将单根油套管连接成为长达数千米能承受数百大气压的长管柱——管状高压容器。1924年API制定了第一个油井管标准，油套管接头螺纹是每英寸10牙和每英寸8牙的V型螺纹，但后来被API8牙圆螺纹及偏梯型螺纹取代，并沿用至今。API SPEC 5B标准规定常用套管螺纹为圆螺纹（简写CSG）和偏梯形螺纹（简写BCSG）。我国油气田通常普遍采用这两种螺纹接头。随着我国油气的勘探开发，尤其是深井、超深井、高压气井、定向井、含硫化氢等井的增多都对油套管接头的使用性能提出更高要求，API圆螺纹及偏梯型螺纹的气密性、连接强度、耐腐蚀性已不适应要求，为此各国纷纷展开特殊螺纹接头的开发和应用。以下对API圆螺纹、偏梯型螺纹以及部分特殊螺纹进行一一阐述。
1. API圆螺纹
圆螺纹有套管短圆螺纹（英文简写CSG，外观如图5所示）与套管长圆螺纹套管（LCSG）之分。油管圆螺纹英文简写为TBG，细分为不加厚油管螺纹（TBG）、外加厚油管螺纹（UP TBG）。
圆螺纹为无台肩锥管螺纹、需要有接箍连接，牙型为三角形、圆顶圆底，牙形角为60°，螺纹锥度为1:16，牙形角平分线与轴线垂直，当螺纹旋紧后，靠内外螺纹的牙侧面密封，其牙型见图4。
图4 API圆螺纹牙型    图5 API圆螺纹外螺纹
圆螺纹牙顶和牙底圆弧形有如下优越性：
l    改善螺纹在旋紧时由于擦伤而引起的阻力
l    上紧螺纹时，牙顶间隙为外来的颗粒和污物提供了一个有控制的间隙
l    这种圆弧面牙顶对于因局部刮伤或凹痕损伤不敏感。
圆螺纹因其加工容易、密封性好、有一定的连接强度、现场维护和使用较简单、价格便宜的优点，在套管连接中被大量使用。
由于套管外径小至41/2，大至20寸，同种外径圆螺纹套管其螺纹接头形状有长、短之分，管体壁厚有厚、薄之分，材料钢级有高低之分，机紧扭矩有大小之分，这就使得套管和接箍的其它螺纹参数如：手紧紧密距牙数A等基本尺寸有所区别，所以，检验不同规格的圆螺纹套管及接箍螺纹的紧密距，要用相应规格的螺纹量规检验，必要时还要对检测数据进行相应的处理。
所有套管圆螺纹及接箍螺纹的基本形状是一样的，其齿高、螺距、锥度、牙型角等基本尺寸和公差范围完全相同。且齿顶和齿底圆弧形状、管端外倒角、消失锥角的要求也相同。
在API SPEC 5B标准中对同一种外径尺寸的套管圆螺纹，其检验用量规只有一种，且都是按照相应规格短圆螺纹的尺寸设计的，也就是说，量规的基本尺寸与对应的短圆螺纹的基本尺寸相同，这就意味着要一规多用，即该量规既要检验同种外径的长圆螺纹，也要检验同种外径的短圆螺纹。
2. 偏梯形螺纹
这种螺纹是为了提高抗轴向拉伸或抗轴向压缩载荷能力，并提供泄漏抗力而设计，英文简写BCSG，无台肩锥管螺纹、需有接箍连接，牙型为偏梯形、平顶平底，其牙型见图6、图7。
规格为41/2-135/8的套管螺纹，直径上锥度为62.5mm/m，每25.4mm5牙螺纹（螺距为5.08mm）；导向牙侧面与螺纹轴线的垂线间的夹角为10°；承载侧面与螺纹轴线的垂线间的夹角为3°；牙顶和牙底为锥形，与螺纹锥度平行；导向侧面牙顶的圆角半径（0.762mm R）比承载侧面牙顶的圆角半径（0.203mm R）大，这有助于对扣和上扣。旋紧时，螺纹是全牙型配合，螺纹牙顶到牙底之间的最大间隙为0.051mm。螺纹本身的机加工偏差造成接头螺纹部件一端的一个螺纹侧面上受力，并使配对接头螺纹构件在另一端的相反螺纹侧面上受力。在任何情况下，使用合适的螺纹脂或或镀层（或这两者）是保证螺纹泄漏抗力的又一手段。泄漏抗力只能通过完整螺纹长度范围内的适当组装（干涉量）来控制。这种接头螺纹的牙底沿连续锥体一直延伸到管体外表面上消失，接箍（内螺纹端部分）与不完整螺纹开始一直延伸到消失点，偏梯形螺纹外观图见图8。
图6 规格不大于133/8的偏梯套管螺纹    图7 规格不小于16寸的偏梯套管螺纹
图8 偏梯形螺纹外螺纹
3°承载侧面可使螺纹在高拉伸载荷下具有抗滑脱性能，而10°导向侧面可使螺纹承受高轴向压缩载荷。用手工方法修复螺纹应谨慎进行，并仅限于完整螺纹长度上很小一部分。对外螺纹的不完整螺纹部分进行谨慎修复不会影响对泄漏抗力的控制。
规格不小于16寸的偏梯套管螺纹，直径上锥度为83.33mm/m，每25.4mm5牙螺纹，平顶和平牙底平行于管子轴线，这有助于对扣和上扣。所有其它尺寸和螺纹圆角半径都与规格不大于133/8的套管相同。
使用合适的螺纹脂和镀层对保证泄漏抗力是很重要的。
偏梯形螺纹牙型的优点：
1）由于偏梯形螺纹具有3度承载牙侧面和10度引导牙侧面，所以能够承受足够大的拉伸或压缩载荷。特别是3度承载牙侧面使套管螺纹具有足够的抗拉强度。
2）牙顶牙底平面的斜度与螺纹斜度相同，而且牙顶有圆弧。引导牙侧面在牙顶的圆弧半径比承载牙侧面在牙顶的圆弧半径大，这样有利于螺纹的旋合。
但偏梯形螺纹密封性较低，尤其是套管下井后，在轴向拉力和一定的弯曲应力作用下，其抗气密封压力将进一步降低，同时螺纹接头发生了一次泄漏后，其二次气密封性会进一步下降。从套管接头结构示意图及偏梯螺纹啮合示意图可知，对于偏梯形螺纹套管接头，其密封部分主要有两部分，其一为扭矩台肩AB，另一部分为螺纹承载面S，此外，环形间隙中的螺纹密封脂在特定条件下也有密封作用。当偏梯形螺纹套管接头受到内压、拉伸及弯曲复合载荷的作用时，扭矩台肩AB及螺纹承载面S将叠加弯曲正应力,其扭矩台肩的接触压力减小,因而其密封压力降低。目前为了提高套管接头的密封压力，各套管厂均在开发新的特殊接头，为了不影响接头的连接强度，新的特殊接头一般采用偏梯形螺纹或改进的偏梯螺纹，提高了扭矩台肩及螺纹承载面承载压力，设计各种各样的金属对金属的过盈配合结构，大大提高了套管接头的密封压力。
同其他所有石油管一样，套管螺纹连接是最薄弱的环节。螺纹连接的质量直接影响到套管柱的结构完整性和密封完整性，而螺纹加工精度又是螺纹连接质量的重要影响因素之一。5B标准对螺纹质量的控制指标多达十余项，螺纹单项参数如锥度、螺距、齿高、牙型角等可以借助于螺纹单项参数测量仪进行测量，测量结果很直观，不需要进行数据处理，也不易出错。而综合反映各单项参数及表面加工质量的、也是最重要的一个参量－紧密距，需用工作量规进行检验。由于要考虑量规的结构型式及与校对规的传递值、螺纹的长短、套管壁厚、钢级等，需要对测量数据进行必要的判断和处理，才能获得所需紧密距。
图9 套管偏梯形螺纹结构示意图    图10 套管偏梯形螺纹啮合示意
许下2009年心愿，大家为你祝福
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2009-2-24 0:07:00

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3. 常用套管的规格
API套管尺寸规格共有14种，它们分别是114.3 (41/2)，127 (5)，139.7 (51/2)，168.8 (65/8)，177.8(7)，193.7 (75/8)，219.1 (85/8)，244.5(95/8)，273.0(103/4)，298.4 (113/4)，339.7 (133/8)，406.4 (16)，473.08 (185/8)，508.0 (20)，其中常用的有139.7 (51/2)、177.8(7)、244.5(95/8)和339.7 (133/8)四种。
API规定，套管钢级有H-40、J-55、K-55、C-75、L-80、N-80、C-95、P-110共8种，其中以H-40钢级最低，以P-110钢级强度最高，根据钢级不同，套管上所涂颜色也不同，常用钢级J-55涂绿色、N-80涂红色、P-110涂白色三种。
Φ139.7套管共有5种壁厚，其中J-55、K-55两种钢级包含三种壁厚是6.20、6.98和7.72毫米，C-75以上钢级包含的三种壁厚是7.72、9.17和10.54毫米。
Φ177.8套管共有8种壁厚，其中K-55以下钢级包含四种壁厚是5.87、6.91、8.05和9.19毫米，C-75以上钢级包含的六种壁厚是8.05、9.19、10.36、11.51、12.65和13.72毫米。
Φ244.5套管共有6种壁厚，其中K-55以下钢级包含三种壁厚是7.92、8.94和10.03毫米，C-75以上钢级包含的四种壁厚是10.03、11.05、11.99和13.84毫米。
Φ339.7套管共有6种壁厚，其中K-55以下钢级包含四种壁厚是8.38、9.65、10.92和12.19毫米，C-75以上钢级包含的两种壁厚是12.19和13.06毫米。
4. API标准螺纹存在问题
由上可知，螺纹连接强度和密封性是油套管两个主要技术指标。API圆螺纹及偏梯型螺纹不适合如稠油热采、超深井、重腐蚀进等较苛刻条件下使用，原因是与其结构、螺纹轮廓有关的密封、强度问题。圆螺纹只能承受相当于管体强度的60%~80%的拉伸负载，偏梯螺纹接头虽然有较高的连接强度，但在较高内压下密封性能很差。此两种螺纹一般借助于在合适的载体中含铅、锌、铜、石墨和硅油等组成物的螺纹脂来实现密封，这种形式密封一般只能在60~95ºC以下温度工作。
因此API标准螺纹接头的密封主要通过螺纹脂、金属镀层和螺纹过盈啮合等方法实现。API圆螺纹牙根到牙顶间隙为0.152mm；偏梯螺纹最大间隙在导向侧整个牙高范围内，193.7mm以下规格套管牙顶间隙为0.178mm，219.1mm及以上规格套管则大至0.229mm。API标准螺纹接头的密封一是靠螺纹脂填堵该间隙并使内压力在公平啮合螺纹长度内（通常为3~5螺纹牙长度）的间隙两端产生一定压力降，从而实现密封作用。其二是靠螺纹牙侧面过盈啮合，形成若干个不确定的金属对金属接触密封（密封位置、接触压力受螺纹尺寸、镀层、螺纹脂影响），从而达到密封作用。在静水压试验中圆螺纹和偏梯螺纹接头的密封性能随着管子尺寸、钢级变化而变化，管径越大、壁厚越厚、钢级越高，临界密封压力与管体内屈服压力之比越低，密封性能越差。而API圆螺纹除密封性能差外其抗拉强度也较低。API圆螺纹在正常条件下，接头的抗拉强度仅为管体强度的80%。在外压及轴向拉伸等双轴应力作用下，遇到较大弯曲或冲击载荷时易发生滑脱。主要原因是接头螺纹上载荷分布不均及牙形半角为30度，半角的正切值远高于牙侧面复合螺纹脂或镀膜层的摩擦系数，使抗滑脱阻力小于外力分量造成滑脱现象发生。
四、特殊油套管螺纹
随着油气钻采作业向更加苛刻的工况条件的方向发展，以及石油钻采工艺技术的不断进步，世界标准－API SPEC 5B旗下的圆螺纹和偏梯形螺纹在石油专用管领域已日渐力不从心。从而促进了特殊螺纹接头的开发和研究。于是世界各大石油专用管制造商纷纷致力于开发强度、密封性能俱优的特殊螺纹。目前，国外生产和使用的特殊螺纹油套管产品约有上百种，而比较典型、应用较广的不过10余种。在下面将会介绍几种常用特殊螺纹。
热应力和高温作用是热采井套管柱接头选择及选材的重要问题，因为油套管容易发生轴向压缩屈服变形，导致接头跳扣和油套管纵向弯曲；套管柱容易产生拉伸屈服，导致接头脱扣和套管的双轴压溃；高温作用，使材料产生蠕变，使接头密封接触部分产生应力松弛，接头气密性恶化。许多模拟热采条件的试验（即接头在加热的同时还加上轴向拉伸，压缩应力的气密性和拉伸破坏试验）表明：1 热采井的特殊螺纹接头应具有径向密封面和合适扭矩台肩结构的接头，以保证在采油周期接头受到很高的轴向拉力作用时，当扭矩台肩接触面压很低直到0时，仍能保持足够径向密封面压；2 扭矩台肩应能随高的压缩应力，以保证蒸汽注入周期，当接头受到很高轴向压应力作用时，连接螺纹不易跳扣，同时径向密封接触面压不因前部密封头部分弯曲变形而降低。 3 在螺纹齿形结构设计上除应保证性本能好的对扣性能外，要特别保证特殊螺纹接头具有好的抗拉伸和压缩载荷特性。热采条件下接头密封面压除受热应力影响外，还受应力松弛的影响，蠕变应力松弛对密封部密封配合量的影响，随着温度的升高而增大，它使配合量减少。
为此特殊螺纹接头以其优良的使用性能－较高的气密封性，接近管体的连接强度（除整体连接）及良好的耐粘结性受到油田的普遍重视，在许多油田得到应用，如VAM、NSCC、NK3SB、FOX、SEC扣等，这些接头基本满足了一些特殊井况（如深井、超深井、高压气井、热采井、水平井等）的石油天然气的勘探和开发的需要，推动了石油工业的发展。
世界各国、各公司油套管特殊螺纹的设计尽管各类繁多，形状各异，但其基本形式大体相同，主要都是为了提高管柱的连接强度和密封性能。一般来讲，多数特殊螺纹的油套管接头都是由三个部分构成：连接螺纹、抗扭矩台肩和密封面。大多数特殊螺纹都采用API偏梯形螺纹牙型，旨在保证螺纹旋合部分的互换性，这也从另一个侧面反映出这种API BC螺纹在连接强度方面得到普遍认可，但其连接密封性能方面的表现差强人意。值得注意的是在众多特殊油套管螺纹中，有相当数量在螺纹结构中采用了反向抗扭矩台肩设计，这有利于螺纹旋合后