特殊油管扣螺紋參數(shù)對(duì)接頭連接強(qiáng)度影響分析

秦彥斌，張佳浩，于 洋

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，以及井下工作環(huán)境的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的API標(biāo)準(zhǔn)油管接頭不再適用于各種復(fù)雜的井下工況[1]，因此國(guó)內(nèi)外各大廠商根據(jù)不同使用工況開(kāi)發(fā)出了各種特殊油管扣，其螺紋牙均采用改進(jìn)的API偏梯形螺紋。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同結(jié)構(gòu)的特殊油管扣在使用過(guò)程中的應(yīng)力等進(jìn)行了大量研究。高連新等[2]建立了特殊套管扣的理論計(jì)算模型，得到了每圈螺紋牙上的應(yīng)力分布特點(diǎn)，基于該應(yīng)力分布特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)螺紋兩端2～4牙螺紋螺距進(jìn)行了優(yōu)化。許志倩等[2]建立了特殊油管扣螺紋牙在各失效形式下的臨界載荷模型，得到了螺紋牙承載分布的求解公式。胡志力等[3]建立了特殊油管扣二維有限元模型，研究了接頭在不同參數(shù)下的連接強(qiáng)度，并對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。劉源等[4]利用所建立的特殊螺紋套管扣二維有限元模型，研究了接頭的連接強(qiáng)度在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的變化規(guī)律。喻開(kāi)安等[5]基于因數(shù)輪換思想，使用有限元仿真的方法研究了臺(tái)肩角度和過(guò)盈量對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響。晁利寧等[6]建立了不同臺(tái)肩角度的特殊油管扣有限元模型，研究了不同載荷條件下接頭臺(tái)肩角度的變化對(duì)其密封性能的影響。

綜上所述，特殊油管扣的螺紋牙處在復(fù)雜載荷條件下易發(fā)生連接強(qiáng)度失效，并有可能對(duì)接頭密封面產(chǎn)生影響，導(dǎo)致接頭處密封失效。根據(jù)井下工況，對(duì)連接性能較好的偏梯形螺紋進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以適應(yīng)更加惡劣的井下環(huán)境顯得尤為重要。因此，本文考慮螺旋升角，通過(guò)對(duì)接頭在使用過(guò)程中所承受的載荷進(jìn)行模擬加載，研究特殊油管扣螺紋部分的連接性能在不同導(dǎo)向面和承載面角度下的變化規(guī)律。

1 特殊油管扣有限元三維建模

以88.9 mm×6.45 mm P110型錐面—錐面特殊油管扣為研究對(duì)象，考慮為消除管端效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，建模時(shí)取管體長(zhǎng)度約為螺紋牙長(zhǎng)度的3倍[7]。為了保證計(jì)算結(jié)果的精確度，將內(nèi)外螺紋牙處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，外螺紋網(wǎng)格數(shù)量為893個(gè)，內(nèi)螺紋網(wǎng)格數(shù)量為1 203個(gè)。特殊扣有限元模型的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。特殊油管扣在進(jìn)行有限元分析之前，需建立3個(gè)接觸對(duì)，分別是螺紋牙導(dǎo)向面處的接觸對(duì)、螺紋牙承載面處的接觸對(duì)、密封面—臺(tái)肩的接觸對(duì)。依據(jù)接觸對(duì)的設(shè)置原則，將外螺紋接頭的螺紋導(dǎo)向面、螺紋承載面及密封面—臺(tái)肩設(shè)置為從面，由于上扣時(shí)外螺紋接頭相對(duì)于內(nèi)螺紋接頭會(huì)有比較大的轉(zhuǎn)動(dòng)量，而有限滑移允許接觸面之間出現(xiàn)任意大小的相對(duì)滑動(dòng)，所以將接觸對(duì)的滑移屬性設(shè)置為有限滑移。接箍端面的約束為固定約束；軸向外載荷通過(guò)建立連續(xù)分布節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)施加[8－10]。

圖1 特殊油管扣網(wǎng)格劃分

特殊油管扣的具體參數(shù)如表1所示，其材料視為均勻的各項(xiàng)同性體，材料參數(shù)如表2所示[11]。

表1 特殊油管扣設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 特殊油管扣材料屬性

根據(jù)所調(diào)研的文獻(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用情況，選擇特殊油管扣螺紋承載面角度優(yōu)化范圍為－9°～3°，選擇特殊油管扣螺紋牙導(dǎo)向面角度的優(yōu)化范圍為5°～35°[12]。

2 有限元結(jié)果分析

2.1 承載面角度優(yōu)化研究

經(jīng)有限元分析，得到如圖2所示的在上扣扭矩和軸向拉伸載荷作用下，特殊扣螺紋部分螺紋Mises等效應(yīng)力分布云圖。由圖可知，特殊扣螺紋牙處的等效應(yīng)力隨螺紋牙承載面角度的增大先減小后增大，當(dāng)承載面角度為－4°、－3°和3°時(shí)，螺紋處的等效應(yīng)力較小，且環(huán)向應(yīng)力分布較為對(duì)稱(chēng)，無(wú)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，0°承載面角度的接頭螺紋等效應(yīng)力較大，且大部分區(qū)域已超過(guò)材料屈服極限，接頭性能變差。

圖2 上扣＋拉伸載荷作用下不同導(dǎo)向面接頭螺紋牙處等效應(yīng)力云圖

從靠近臺(tái)肩的螺紋牙開(kāi)始，對(duì)接頭螺紋牙依次編號(hào)，得到不同承載面角度特殊油管扣螺紋牙處等效應(yīng)力曲線如圖3所示。由圖可知，不同承載面接頭螺紋牙處的等效應(yīng)力曲線在上扣扭矩和軸向拉伸載荷的復(fù)合作用下，均為兩端高中間低的形狀，且部分承載面角度螺紋段的等效應(yīng)力已超過(guò)材料屈服極限；當(dāng)承載面角度為－9°和－6°時(shí)，中間幾牙的螺紋牙與兩端螺紋牙的等效應(yīng)力的差距明顯更大，特殊扣整個(gè)螺紋牙部分的等效應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致接頭連接強(qiáng)度減弱。

圖3 不同承載面角度特殊油管扣螺紋牙處等效應(yīng)力曲線

3.3.2 導(dǎo)向面角度優(yōu)化研究

經(jīng)有限元分析，得到如圖4所示的在上扣扭矩和軸向壓縮載荷復(fù)合作用下，不同導(dǎo)向面角度的特殊油管扣螺紋牙處等效應(yīng)力云圖。由圖可知，隨著螺紋牙的導(dǎo)向面角度的增大，接頭整個(gè)螺紋牙部分的等效應(yīng)力逐漸減小，且當(dāng)導(dǎo)向面角度大于20°時(shí)，接頭螺紋處的等效應(yīng)力在減小的同時(shí)，應(yīng)力分布不均度地增大，導(dǎo)致臺(tái)肩所負(fù)擔(dān)的載荷增大，且最大等效應(yīng)力從特殊油管扣密封面處轉(zhuǎn)移至接頭臺(tái)肩處，其中導(dǎo)向面角度超過(guò)25°后，臺(tái)肩受力幅度明顯增加，接頭連接強(qiáng)度降低。

圖4 上扣扭矩＋軸向壓縮載荷作用下不同導(dǎo)向面螺紋牙處等效應(yīng)力云圖

提取各圈螺紋牙處的Mises等效應(yīng)力，得到如圖5所示的在上扣扭矩和軸向壓縮載荷作用下，不同導(dǎo)向面角度的特殊油管扣螺紋牙處的等效應(yīng)力變化曲線。由圖可知，不同導(dǎo)向面角度的接頭螺紋牙處等效應(yīng)力曲線在上扣扭矩和軸向壓縮載荷的復(fù)合載荷作用下，均為兩端高中間低的形狀，且導(dǎo)向面角度為5°時(shí)，差距更加明顯；當(dāng)螺紋牙的導(dǎo)向面角度處于10°～25°時(shí)，螺紋處等效應(yīng)力沿螺紋牙分布較為均勻，且特殊扣螺紋段的平均等效應(yīng)力小于材料屈服極限，接頭連接性能較好。

圖5 不同導(dǎo)向面角度的特殊油管扣螺紋牙處等效應(yīng)力曲線

3 結(jié)果分析

通過(guò)研究錐面—錐面特殊油管扣在上扣扭矩和軸向拉伸/壓縮載荷復(fù)合載荷作用下，不同承載面和導(dǎo)向面角度對(duì)接頭螺紋處等效應(yīng)力的影響，得出結(jié)論如下。

（1）特殊扣螺紋牙部分的等效應(yīng)力隨螺紋牙承載面角度的增大，先減小后增大，對(duì)于－4°、－3°和3°的承載面角度，螺紋牙處的等效應(yīng)力較小，而0°承載面的油管接頭，其螺紋部分的平均等效應(yīng)力較大，且大部分區(qū)域已超過(guò)特殊扣材料的屈服極限。當(dāng)承載面角度為－9°和－6°時(shí)，中間幾牙的螺紋牙與兩端螺紋牙的等效應(yīng)力的差距明顯更大，螺紋連接失效概率增大，導(dǎo)致連接強(qiáng)度減弱。

（2）螺紋處的等效應(yīng)力隨螺紋導(dǎo)向面角度的增大而減小，當(dāng)導(dǎo)向面角度大于20°時(shí)，接頭螺紋處應(yīng)力分布不均度地增大，導(dǎo)致臺(tái)肩所負(fù)擔(dān)的載荷增大，導(dǎo)向面角度超過(guò)25°后，臺(tái)肩受力幅度明顯增加，特殊油管扣的連接強(qiáng)度及臺(tái)肩結(jié)構(gòu)的輔助密封性能降低。當(dāng)導(dǎo)向面角度為5°時(shí)，中間螺紋牙與兩端差距較為明顯。而對(duì)于10°～25°導(dǎo)向面角度，螺紋處等效應(yīng)力沿螺紋牙分布較為均勻，且均小于特殊扣的材料屈服極限，接頭連接性能較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

特殊螺紋油管扣的研究方法主要有解析法、有限元分析法和實(shí)驗(yàn)法，且3種研究方法各有利弊。本文建立了考慮螺旋升角的特殊油管扣的有限元模型，研究了不同承載面和導(dǎo)向面對(duì)接頭螺紋的Mises等效應(yīng)力影響。通過(guò)對(duì)有限元結(jié)果的分析表明，復(fù)合載荷作用時(shí)，整個(gè)螺紋牙部分的等效應(yīng)力會(huì)隨承載面角度的增大而先減小后增大，隨螺紋牙導(dǎo)向面角度的增大而減小，其中當(dāng)承載面角度為－4°、－3°和3°時(shí)，導(dǎo)向面處于10°～25°時(shí)，特殊扣螺紋段連接性能較好。因此，在特殊螺紋油管扣的設(shè)計(jì)時(shí)，建議螺紋牙的承載面角度的設(shè)計(jì)在－6°～－3°；導(dǎo)向面角度建議設(shè)計(jì)在10°～30°。研究結(jié)果為特殊油管扣的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了參考。