油套管特殊螺紋連接密封性能試驗(yàn)研究

唐家睿，晁利寧，徐 凱，周新義，汪 強(qiáng)，楊曉龍

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

隨著深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱采井、重腐蝕井、定向井等的開(kāi)采，對(duì)石油套管提出了越來(lái)越苛刻的技術(shù)要求［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，接頭部位是整個(gè)管柱最薄弱的環(huán)節(jié)［2］；因此，接頭的性能直接決定了石油套管產(chǎn)品乃至整個(gè)管柱的性能［3］。

2002 年發(fā)布的 ISO 13679 ∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》是油套管特殊螺紋實(shí)物力學(xué)性能評(píng)價(jià)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)程序復(fù)雜，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求極高。目前，國(guó)內(nèi)僅有極少數(shù)單位具備開(kāi)展該評(píng)價(jià)試驗(yàn)的硬件條件和檢驗(yàn)資質(zhì)［4-9］。

由于特殊螺紋接頭材料的塑性變形、特殊螺紋結(jié)構(gòu)接觸的復(fù)雜性及載荷工況的多樣性，難以用解析法描述接頭密封完整性問(wèn)題［10］；因此，有必要借助于有限元數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)特殊螺紋接頭密封可靠性分析。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及技術(shù)人員已將有限元分析技術(shù)應(yīng)用于特殊螺紋的氣密封性評(píng)價(jià)、疲勞設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析等方面。XIE 等使用有限元方法研究了熱采井循環(huán)載荷作用下API 套管和特殊螺紋套管的結(jié)構(gòu)完整性和密封能力，對(duì)比分析表明特殊螺紋最適合于熱采井［11］。竇益華等使用三維有限元方法，分析了不同上扣扭矩對(duì)特殊螺紋接頭扭矩曲線及接觸壓力分布的影響［12］。這些研究對(duì)新型螺紋油套管的開(kāi)發(fā)提供了很好的指導(dǎo)，但按照ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)內(nèi)容和程序?qū)τ吞坠芴厥饴菁y性能進(jìn)行系統(tǒng)性地仿真評(píng)價(jià)卻不多。

本文以 P110 鋼級(jí) Φ177.8 mm×10.36 mm 規(guī)格油套管的某特殊螺紋接頭為分析對(duì)象，基于ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)CAL Ⅱ的試驗(yàn)程序和方法及密封接觸能理論，結(jié)合有限元仿真分析與實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)該特殊螺紋接頭的密封性能。

1 特殊螺紋接頭密封性能有限元分析

1.1 研究對(duì)象

以某特殊螺紋為研究對(duì)象，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。該特殊螺紋接頭主要由三部分組成：螺紋部分、密封面及臺(tái)肩。其中，密封面采用的是球面對(duì)錐面金屬過(guò)盈的密封形式，該密封形式具有上扣劃移距離長(zhǎng)，平均接觸壓力高，局部壓力低，接觸長(zhǎng)度長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)［13］。臺(tái)肩處采用直角結(jié)構(gòu)形式，方便加工且靠自身過(guò)盈接觸實(shí)現(xiàn)密封［14］。螺紋連接形式為BJC－Ⅰ型。油套管屈服強(qiáng)度762 MPa，抗拉強(qiáng)度913 MPa，彈性模量210 GPa，摩擦因數(shù)0.025，泊松比0.3。

圖1 某特殊螺紋的幾何結(jié)構(gòu)示意

1.2 理論分析

ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)中載荷包絡(luò)線試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)特殊螺紋接頭在實(shí)際安全使用時(shí)的最大載荷或復(fù)合載荷作用下是否能保證其結(jié)構(gòu)完整性及密封性能。復(fù)合載荷包絡(luò)線是用Von Mises 應(yīng)變能理論計(jì)算得出的，它指出了復(fù)合加載時(shí)的屈服現(xiàn)象，可由公式（1）～（4），用單個(gè)主應(yīng)力計(jì)算出來(lái)。

式中 σV—— Von Mises 等效應(yīng)力，MPa；

σa—— 軸向應(yīng)力，MPa；

σh—— 環(huán)向應(yīng)力，MPa；

σr—— 徑向應(yīng)力，MPa；

Fa—— 軸向總載荷，kN；

D —— 管體外徑，mm；

t —— 管體壁厚，mm；

Ap—— 管體截面面積，mm2；

Po—— 外壓，MPa；

ko—— 幾何常數(shù)；

Pi—— 內(nèi)壓，MPa。

油套管特殊螺紋接頭的試驗(yàn)載荷包絡(luò)線如圖2所示。

圖2 油套管特殊螺紋接頭的試驗(yàn)載荷包絡(luò)線

根據(jù)ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)特殊螺紋接頭進(jìn)行上卸扣有限元分析，評(píng)價(jià)螺紋在上卸扣過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生黏結(jié)，從而導(dǎo)致螺紋連接強(qiáng)度降低、螺紋密封面損壞、密封性能下降；隨后對(duì)特殊螺紋接頭進(jìn)行載荷包絡(luò)線試驗(yàn)有限元分析，評(píng)價(jià)其在復(fù)合載荷作用下的結(jié)構(gòu)完整性及密封性能。

1.3 有限元模型的建立

假設(shè)管體和接箍均為理想圓管，管體和接箍均為線性強(qiáng)化模型，兩者的本構(gòu)模型為材料實(shí)際的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

運(yùn)用ABAQUS 軟件時(shí)，將特殊螺紋接頭三維模型簡(jiǎn)化為平面2D 模型進(jìn)行分析，以提高計(jì)算效率。管體和接箍均選用軸對(duì)稱(chēng)單元，內(nèi)螺紋單元數(shù)77 655 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)78 004 個(gè)；外螺紋單元數(shù)124 871 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)125 924 個(gè)。管體底部施加Y 方向的對(duì)稱(chēng)約束。頂部施加與油田實(shí)際工況一致的拉伸、壓縮載荷及內(nèi)壓。有限元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

1.4 計(jì)算結(jié)果與分析

選取上扣扭矩最小、最容易在復(fù)合加載試驗(yàn)中發(fā)生泄漏的1 號(hào)試樣進(jìn)行實(shí)際油田工況載荷分析。

1.4.1 上扣分析

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

由上扣螺紋及密封面應(yīng)力－應(yīng)變?cè)茍D（圖4）可以看出：1 號(hào)試樣上扣完成后，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上的倒數(shù)第二個(gè)齒頂，最大等效應(yīng)力為765 MPa；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在510 MPa 左右，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.002 5%。

1.4.2 拉伸載荷

由于實(shí)際工況中載荷較大，因此選取最嚴(yán)苛的拉伸載荷點(diǎn)進(jìn)行分析。加載95%拉伸載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D如圖5 所示。

圖4 上扣螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D

圖5 加載95%拉伸載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D

由圖5 可以看出：壁厚為10.36 mm 的1 號(hào)試樣上扣完成后，加載95%的拉伸載荷，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上的倒數(shù)第二個(gè)齒頂，最大等效應(yīng)力為913.7 MPa；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在764 MPa 左右，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.399%。

1.4.3 壓縮載荷

加載60%壓縮載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D如圖6 所示。從圖6 可以看出：壁厚為10.36 mm 的1 號(hào)試樣上加載60%壓力后，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上中間的齒頂，最大等效應(yīng)力為912 MPa，相對(duì)于壁厚為9.19 mm 的要大；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在619.8 MPa 左右，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.329%。

1.4.4 拉伸載荷和內(nèi)壓

加載95%拉伸載荷+內(nèi)壓60 MPa 后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D如圖7 所示。從圖7 可以看出：1 號(hào)試樣加載95%拉伸載荷+內(nèi)壓60 MPa 載荷條件下，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上倒數(shù)第二個(gè)齒頂，最大等效應(yīng)力為913.7 MPa；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在764 MPa 左右，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.399%。

1.4.5 密封面處定量分析

針對(duì)關(guān)鍵部位密封面，分析了特殊螺紋接頭上扣及加載各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)完成后，密封面處受力與接觸面接觸長(zhǎng)度之間的關(guān)系，如圖8 所示。

圖6 加載60%壓縮載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力－應(yīng)變?cè)茍D

圖7 加載95%拉伸載荷+內(nèi)壓60 MPa 后螺紋及密封面的應(yīng)力－應(yīng)變?cè)茍D

圖8 不同階段密封面接觸壓力與密封面接觸長(zhǎng)度關(guān)系對(duì)比

上扣后，接觸長(zhǎng)度為1.2 mm 時(shí)，管體接觸壓力開(kāi)始增大，接觸長(zhǎng)度為2.0 mm 時(shí)達(dá)到最大，最大值為438 MPa。隨著接觸長(zhǎng)度的增加，接觸壓力逐漸減小，在接觸長(zhǎng)度為2.8 mm 時(shí)，接觸壓力為25.6 MPa。整個(gè)接觸長(zhǎng)度為1.2～2.8 mm。

加載95%拉伸載荷后，管體接觸壓力在接觸長(zhǎng)度為1.7 mm 時(shí)開(kāi)始增大，在接觸長(zhǎng)度為2.3 mm 時(shí)達(dá)到最大，最大值為379 MPa。隨著接觸長(zhǎng)度的增加，接觸壓力逐漸減小，在接觸長(zhǎng)度為2.9 mm 時(shí)，接觸壓力為137.1 MPa。整個(gè)接觸長(zhǎng)度為1.7～2.9 mm。

加載60%壓縮載荷后，管體接觸壓力在接觸長(zhǎng)度1.5 mm 時(shí)開(kāi)始增大，在接觸長(zhǎng)度為2.2 mm 時(shí)達(dá)到最大值441.8 MPa。隨著接觸長(zhǎng)度的增加，接觸壓力逐漸減小，在接觸長(zhǎng)度為2.9 mm時(shí)，接觸壓力為96.3 MPa。整個(gè)接觸長(zhǎng)度為1.5～2.9 mm。

對(duì)該特殊螺紋接頭進(jìn)行上卸扣及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過(guò)程的有限元分析結(jié)果表明，該特殊螺紋接頭在上卸扣及復(fù)合載荷的作用下等效應(yīng)力分布比較均勻，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

2 實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù) ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn) CAL Ⅱ?qū)λx取的特殊螺紋極限試樣進(jìn)行實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)。實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)試樣編號(hào)及試驗(yàn)?zāi)康囊?jiàn)表1。其中，1 號(hào)極限試樣屬于密封低過(guò)盈樣，且上扣扭矩最小，最容易在復(fù)合加載試驗(yàn)中發(fā)生泄漏；4 號(hào)極限試樣屬于密封高過(guò)盈樣，且上扣扭矩最大，最容易在上卸扣試驗(yàn)中發(fā)生螺紋黏結(jié)。所以，選取1 號(hào)、4 號(hào)極限試樣進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)技術(shù)路線如圖9 所示。

2.2 上卸扣性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

根據(jù) ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn) CAL Ⅱ?qū)O限試樣進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。由于4 號(hào)極限試樣屬于密封高過(guò)盈樣，在上卸扣試驗(yàn)中外螺紋密封面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)輕微塑變；而在上卸扣過(guò)程中，接頭橢圓度會(huì)在夾持力的作用下發(fā)生變化，背鉗加持位置越靠下，接頭的橢圓度越小。背鉗夾持位置對(duì)接頭橢圓度的影響如圖10 所示。通過(guò)調(diào)整夾持力和背鉗夾持位置，解決4 號(hào)極限試樣密封面上卸扣輕微塑變問(wèn)題。

表1 實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)試樣編號(hào)及試驗(yàn)?zāi)康?/p>

圖9 實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)技術(shù)路線

圖10 背鉗夾持位置對(duì)接頭橢圓度的影響

試樣上卸扣試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，上卸扣后形貌如圖11 所示。結(jié)果表明：1 號(hào)和4 號(hào)試樣在上卸扣試驗(yàn)均未發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。極限試樣臺(tái)肩扭矩與上扣扭矩的比值為0.33～0.60。其中1 號(hào)試樣的比值比較低，這主要是由于1 號(hào)試樣螺紋及密封過(guò)盈量較小；4 號(hào)試樣的比值較高，主要是由于4 號(hào)試樣螺紋及密封過(guò)盈量較大。

表2 試樣上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

2.3 載荷包絡(luò)線試驗(yàn)

根據(jù) ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn) CAL Ⅱ要求，對(duì) 1號(hào)和4 號(hào)極限試樣進(jìn)行載荷包絡(luò)線試驗(yàn)，先后進(jìn)行彎曲條件下拉伸/壓縮和內(nèi)壓試驗(yàn)（B 系試驗(yàn)），以及拉伸和內(nèi)壓條件下熱循環(huán)試驗(yàn)（C 系試驗(yàn)）。載荷包絡(luò)線試驗(yàn)載荷點(diǎn)見(jiàn)表3。

通過(guò)試驗(yàn)觀察，在整個(gè)載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過(guò)程中，1 號(hào)、4 號(hào)極限試樣未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

3 結(jié) 論

圖11 1 號(hào)試樣上卸扣后形貌

（1） 通過(guò)對(duì)該特殊螺紋接頭進(jìn)行上卸扣及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過(guò)程的有限元分析，其在上卸扣及復(fù)合載荷的作用下等效應(yīng)力分布比較均勻，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

（2） 通過(guò)對(duì)該特殊螺紋接頭1 號(hào)和4 號(hào)極限試樣進(jìn)行實(shí)物評(píng)價(jià)，在整個(gè)上卸扣及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過(guò)程中，都未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

表3 載荷包絡(luò)線試驗(yàn)載荷點(diǎn)

（3） 以某特殊螺紋接頭為分析對(duì)象，基于ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有限元方法評(píng)價(jià)該特殊螺紋接頭的密封性能，并與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。這種評(píng)價(jià)方法是評(píng)價(jià)特殊螺紋接頭密封性能的一種有效方法，為之后的研究、設(shè)計(jì)、選用及優(yōu)化提供依據(jù)。