套管偏梯扣極限拉伸失效仿真分析

摘 要：本文針對(duì)一種新開(kāi)發(fā)偏梯扣Φ88.9×6.45mm p110采用有限元法分析了其在極限拉伸載荷下的應(yīng)力情況，同時(shí)計(jì)算極限失效載荷，分析了失效形式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：接頭在標(biāo)準(zhǔn)上扣后應(yīng)力分布合理，極限拉伸下接頭表現(xiàn)出螺紋滑脫+管體斷裂失效，失效載荷大于API值。說(shuō)明該接頭扣型設(shè)計(jì)能夠承受較強(qiáng)的軸向力。

關(guān)鍵詞：偏梯扣;極限失效;應(yīng)力;有限元;失效載荷

1 緒論

Φ88.9×6.45mm p110 偏梯扣是一種新開(kāi)發(fā)的油套管連接扣型，具有抗扭性能佳、氣密封性好、抗爆破能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還能和API普通接頭交換使用。與API NU 油管相比，該接頭工廠端與現(xiàn)場(chǎng)端采用了相同的螺紋牙型：牙型的螺距6牙/英寸，外螺紋齒高1.016mm，內(nèi)螺紋齒高1.219mm，錐度1：16，螺紋承載面3°，導(dǎo)向面10°。具體幾何模型見(jiàn)圖1。本文簡(jiǎn)化了《ISO 13679：石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》[1]的極限承載試驗(yàn)程序，分析了該扣型接頭在極限拉伸載荷的應(yīng)力情況，求出極限失效載荷。

2 有限元模型

2.1 套管接頭的受力特點(diǎn)

油套管螺紋所受的主要載荷有以下幾種：[2-4]石油管柱在油井中工作主要承受以下幾種力學(xué)載荷：上扣時(shí)的旋轉(zhuǎn)扭矩、管柱自重的軸向力、管柱中循環(huán)液體的內(nèi)外壓力。本文主要分析套管上扣后受到軸向拉伸極限載荷。

2.2 網(wǎng)格模型

由于接觸問(wèn)題本身邊界條件復(fù)雜，具有不確定性，而又要保證計(jì)算的精度與效率，采用四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱(chēng)四邊形縮減積分單元CAX4R。劃分網(wǎng)格后最終得到管體部分單元數(shù)10451個(gè)，接箍部分單元數(shù)9873個(gè)，有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。其中套管材料為鋼級(jí)P110，彈性模量210000MPa，泊松比0.3，管體屈服極限758MPa，管體拉伸極限960MPa。

3 套管拉伸至失效計(jì)算結(jié)果

上扣后持續(xù)給接頭連段施加拉力，直到管子被拉至與接箍出現(xiàn)脫離的跡象，此時(shí)應(yīng)力云圖可以看見(jiàn)管子管體部分已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂的趨勢(shì)，[4]不完整螺紋段的末尾1-2牙嚙合螺紋首先滑脫，隨后其余螺紋迅速滑脫。最后的失效載荷為1400kN，大于ISO10400[5]標(biāo)準(zhǔn)給出的本規(guī)格油管的最小抗拉伸強(qiáng)度1200kN。圖2（a）和圖2（b）展示了拉伸至失效前的等效應(yīng)力分布和變形情況。該扣型螺紋承載面角為3°比較陡峭，承受較大軸向力時(shí)，末尾1-2牙螺紋容易被軸向剪切。失效時(shí)，對(duì)頂面脫離接觸，導(dǎo)向面分離，承載面保持作用。

4 結(jié)論

通過(guò)分析可以得到以下結(jié)論：

（1）接頭應(yīng)力分布趨勢(shì)合理。但由于接頭強(qiáng)度較高（110鋼級(jí)），擰緊后整體應(yīng)力水平偏高，可考慮適當(dāng)降低螺紋過(guò)盈量。

（2）接頭擰緊后，對(duì)頂?shù)亩嗣婊ハ嘧饔卯a(chǎn)生軸向應(yīng)力，該軸向應(yīng)力會(huì)增加接箍的應(yīng)力水平，但由于接箍厚度遠(yuǎn)大于管子，該軸向應(yīng)力對(duì)整個(gè)接頭的連接強(qiáng)度影響較低。

（3）接頭在極限拉伸載荷作用下的失效表現(xiàn)形式分別為為滑脫和管體斷裂，且其抗外載能力大于API保證值，說(shuō)明該型套管扣型設(shè)計(jì)能夠承受較強(qiáng)的軸向力。

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