鉆具接頭螺紋應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 明 嚴(yán)仁田鮮奇飚劉 杰

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油長城鉆探工程有限公司，盤錦 124010；3.西南油氣分公司川東北采氣廠，閬中 637400；4.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶 400021）

鉆具接頭螺紋應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李 明1嚴(yán)仁田2鮮奇飚3劉 杰4

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油長城鉆探工程有限公司，盤錦 124010；3.西南油氣分公司川東北采氣廠，閬中 637400；4.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶 400021）

石油鉆具接頭螺紋是發(fā)生鉆具失效事故的主要部位。針對鉆具接頭螺紋失效問題，以41/2in鉆桿接頭為例，參照API SPEC 7推薦的三種類型鉆桿螺紋接頭及非API標(biāo)準(zhǔn)H90型螺紋接頭，建立有限元模型，在標(biāo)準(zhǔn)上扣扭矩、相同載荷及邊界條件下對其進(jìn)行力學(xué)分析，得出4種不同扣型接頭螺紋的應(yīng)力分布，以此為基礎(chǔ)提出新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

螺紋接頭；有限元；應(yīng)力分布；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆具接頭螺紋連接處與鉆具本體相比，剛度較小，截面形狀發(fā)生變化，應(yīng)力集中嚴(yán)重，是鉆具上最為薄弱的環(huán)節(jié)，其導(dǎo)致的疲勞裂紋在整個鉆柱失效中占很大比例。據(jù)統(tǒng)計，四川川東地區(qū)1996～1997年間發(fā)生的303起鉆具失效事故中，螺紋連接處失效達(dá)222次，占73.3%［1］。所以研究鉆具接頭螺紋的應(yīng)力分布，優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高螺紋連接的可靠性，成為降低鉆井事故的關(guān)鍵所在。

有限元法是研究鉆具螺紋接頭力學(xué)性能常用方法，林騰蛟等［2］人將螺紋接頭簡化為軸對稱模型，利用彈塑性接觸有限元法，分析了油管螺紋接頭的接觸特性。練章華等［3］人利用有限元法計算了套管接頭螺紋不同錐度下的接觸壓力和載荷分布。本文基于ANSYS軟件對不同扣型的螺牙在相同載荷下的應(yīng)力分布作出分析，指出了應(yīng)力集中導(dǎo)致的失效斷裂，并提出了改進(jìn)方案。

1 有限元接觸分析數(shù)學(xué)模型

利用有限元法分析接觸問題時，一般采用如下假設(shè)：

（1）接觸系統(tǒng)有兩個相互接觸的物體組成，它們之間的接觸區(qū)不發(fā)生相對剛體運(yùn)動；

（2）接觸表面的節(jié)點滿足力平衡條件和幾何變形協(xié)調(diào)一致性；

（3）對可能發(fā)生接觸的區(qū)域預(yù)先確定，未設(shè)定的部分不發(fā)生接觸。

根據(jù)彈塑性力學(xué)問題的有限元法，建立相互接觸物體在整體坐標(biāo)系下的方程［4］：

對于彈塑性接觸問題，當(dāng)進(jìn)行塑性修正迭代時，把外載荷理解為包括外力（已知載荷）及支反力（接觸力）在內(nèi)的不平衡力的總和。外力在迭代過程中保持不變，支反力因受位移u的影響必須通過嵌套在外層循環(huán)中的內(nèi)層循環(huán)進(jìn)行迭代求解。因為位移增量Δu將影響接觸狀態(tài)及接觸力增量ΔR(Δu)，而接觸狀態(tài)及接觸力增量的變化反過來又會影響位移增量Δu，因此必需經(jīng)過反復(fù)迭代才能求得收斂解。

可以使用修正的Newton-Raphson迭代格式求解方程，迭代過程可用下式表示

式中：KT(u(0))—彈性剛度矩陣；(u(n))－ΔR(Δu(n))—失衡力向量；ΔR(Δu(n))—接觸力增量，在接觸迭代中求得。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與網(wǎng)格模型

目前生產(chǎn)和檢驗鉆桿接頭依據(jù)的主要是API SPEC 7 標(biāo)準(zhǔn)［5］。本文以外徑 Ф114.3mm、鋼級 G105的鉆桿為例，選用接頭NC46型、NC50型、41/2FH型和非API標(biāo)準(zhǔn)的H90型四種類型作對比分析，具體參數(shù)見表1。由于本文主要是研究接頭螺紋應(yīng)力分布情況，所以施加的載荷應(yīng)使接頭的Von.Mises等效應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)變形在線彈性范圍內(nèi)。鋼材彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為827MPa。

表1 螺紋接頭結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)mm

由于在不考慮彎矩載荷條件下，可以忽略小螺紋升角的影響，螺紋連接可以近似處理為軸對稱結(jié)構(gòu)［6］。有限元分析時采用軸對稱模型，接頭單元劃分為四邊形單元，質(zhì)量警告時自動分裂為三角形單元，螺牙及臺階處設(shè)置接觸單元，采用TARGE 169與CONTA 172來定義面-面接觸對。

計算中考慮預(yù)緊力、軸向拉力、管內(nèi)壓力和外壓，根照API RP 5 C1標(biāo)準(zhǔn)選取標(biāo)準(zhǔn)緊扣扭矩，模型中預(yù)緊力的施加方法主要是把標(biāo)準(zhǔn)扭矩轉(zhuǎn)化為模型的軸向拉應(yīng)力［7-8］，其余載荷及約束見圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格及載荷分布

3 計算結(jié)果與對比分析

在有限元分析過程中，采用第四強(qiáng)度理論。若管體中的Von.Mises等效應(yīng)力大于等于材料的屈服強(qiáng)度，說明管體在該載荷下剛進(jìn)入塑性變形，如果外在力繼續(xù)增大，材料將發(fā)生塑性變形。

由于螺紋接頭的幾何結(jié)構(gòu)特殊性，接頭螺紋等效Von.Mises應(yīng)力分布沿螺紋牙序是非線性的（見圖2）。在正?？叟浜稀⒖紤]軸向拉力及內(nèi)外壓情況下，公扣嚙合大端承受的載荷比例最高，達(dá)總載荷的21%，小端的承載比例不到4%，由于大端臺肩處螺牙載荷格外高，大端前兩牙發(fā)生疲勞破壞就理所應(yīng)當(dāng)。

圖2 鉆具接頭等效Von.Mises應(yīng)力云圖

四種類型接頭的公扣前3牙均存在應(yīng)力集中。從圖2(a)可以看出FH型接頭的第1牙最大等效Von.Mises應(yīng)力為292MPa，然后逐漸下降，從第4牙起應(yīng)力曲線逐步平緩。圖2(b)顯示了NC46型第1牙最大等效Von.Mises應(yīng)力為271MPa，圖2(c)中NC50第1牙最大等效Von.Mises應(yīng)力為202MPa，NC50型第1牙的等效應(yīng)力雖然較小，但是第2、3牙應(yīng)力下降迅速，也會導(dǎo)致應(yīng)力集中。由于H90型是在NC46基礎(chǔ)上改進(jìn)的，所以第1牙應(yīng)力相對較低，但仍沒有解決應(yīng)力集中問題，見圖2(d)。圖3中的螺紋扣序指的是螺紋從管體到接箍的方向。

母扣應(yīng)力水平最高的部位仍在母扣大端螺牙的根部，該處應(yīng)力集中效果明顯。但是同時注意到，所有分析模型中，母扣大端螺牙的應(yīng)力水平絕對值要比公扣大端低得多，應(yīng)該說該處不應(yīng)是危險部位，但是實際使用情況表明，在母扣大端發(fā)生失效的事故并不少，我們認(rèn)為這種失效可能主要是由于彎曲載荷的作用所導(dǎo)致。

圖3 接頭牙序等效應(yīng)力分布圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前面的對比分析，NC50型扣大端牙齒承受較低的應(yīng)力，只是應(yīng)力分布嚴(yán)重不均。因此在NC50型扣的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，切削公扣大端的前3個螺牙，使第1牙低于中徑線0.5mm，第2、3牙高于中徑線0.5mm，從第4牙開始都為完整扣。同樣切削母扣的前三牙，使第1牙低于中徑線0.5mm，第2、3牙高于中徑線0.5mm，從第4牙開始都為完整扣，切削幾何圖如圖4所示。

圖4 大端牙齒切削幾何圖

優(yōu)化后的接頭螺紋應(yīng)力分析如圖5、圖6所示。

改進(jìn)后的螺紋接頭，公扣最大等效Von.Mises應(yīng)力由第1牙轉(zhuǎn)移到第3牙，第1牙應(yīng)力值較小，然后逐漸升高，到第3牙達(dá)到209MPa，第4牙開始牙序等效應(yīng)力曲線又緩慢下降，而且應(yīng)力幅值變化不大。經(jīng)切削公扣大端螺牙的改進(jìn)，可以有效降低大端承載比例到15%，被轉(zhuǎn)移的載荷由靠近大端的前6扣分擔(dān)，既減緩了前端應(yīng)力集中，也松弛了應(yīng)力分布曲線。母扣大端承受的載荷比例本來就低，所以切削母扣主要目的是改變應(yīng)力分布，平緩該處的截面突變，松弛應(yīng)力線。

圖5 改進(jìn)型接頭Von.Mises應(yīng)力云圖

圖6 改進(jìn)型接頭牙序應(yīng)力分布

改進(jìn)后的螺紋接頭應(yīng)力集中發(fā)生在公扣臺肩底部，可以根據(jù)加工圓弧倒角消除該處的應(yīng)力集中。

5 結(jié) 語

（1）螺紋接頭普遍存在螺紋大端牙根局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是導(dǎo)致螺紋接頭疲勞失效的根本原因。

（2）切削公扣大端，可以有效降低大端承載比例到15%，被轉(zhuǎn)移的載荷由靠近大端的幾扣分擔(dān)；切削母扣大端能夠平緩該處的截面突變，松弛應(yīng)力線，改善應(yīng)力集中，使螺紋具有很好的抗疲勞性。

（3）切削后的螺紋接頭臺肩底部存在應(yīng)力集中，下一步研究將對臺肩底部圓弧進(jìn)行優(yōu)化。

[1]楊自林，游華江，蹇宗承.鉆具失效事故的原因分析及對策[J].天然氣工業(yè)，2000，20(3)：57-60.

[2]林騰蛟，蔣仁科，李潤方，等.大尺寸偏差油管螺紋接頭彈塑性接觸特性研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26(8)：992-995.

[3]練章華，楊龍，韓建增，等.套管接頭泄漏和滑脫機(jī)理探討[J].石油鉆采工藝，2004，26(1)：9-12.

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[6]石曉兵，陳平，聶榮國，等.高壓對氣井套管接頭螺紋接觸應(yīng)力的影響研究[J].石油機(jī)械，2006，36(6)：32-34.

[7]張焱，曹里民，劉坤方，等.一種計算鉆柱螺紋彈塑性接觸應(yīng)力的新方法[J].石油鉆采工藝，1999，21(5)：19-23.

Stress Analysis and Structure Optimization of Drilling Connection

LI Ming1YAN Rentian2XIAN Qibiao3LIU jie4
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500；2.Greatwall Drilling Corporation,Panjin 124010；3.Southwest Petroleum Branch in Northeast Sichuan Gas Production Plant,langzhong 637400；4.East Sichuan Drilling Company of Sichuan-Changqing Drilling Engineering Company，Chongqing 400021）

The threads of drilling connection are the main parts in drilling tool failure accidents.To solve this problem,the thread connections of 41/2inch drilling pipe is took as an example,finite element model are established to analyze the three types of API SPEC 7 recommended thread connections and non-preferred connection (H90 style).In the same condition of standard torque,load and boundary,the stress distribution is obtained by mechanics analysis.Based on these analytical conclusions,this paper proposes a new structure optimization and provides theoretical basis for drilling pipe threads selection.

thread connection；finite element analysis；stress distribution；structure optimization

TE 28

A

1673-1980(2012)05-0118-04

2012-05-03

國家自然科學(xué)基金項目（51074135）

李明(1983-)，男，四川南充人，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為油氣井開發(fā)。