套管螺紋牙齒面接觸應力分布研究

陳守俊,桑勝舉,2,張毅,安琦

(1.華東理工大學機械與動力工程學院,上海 200237;2.泰山學院信息科學技術學院,山東泰安 271021; 3.無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司,江蘇無錫 214028)

套管螺紋牙齒面接觸應力分布研究

陳守俊1,桑勝舉1,2,張毅3,安琦1

(1.華東理工大學機械與動力工程學院,上海 200237;2.泰山學院信息科學技術學院,山東泰安 271021; 3.無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司,江蘇無錫 214028)

以P-110S圓錐管螺紋聯接為計算實例,利用ABAQUS大型有限元分析軟件,建立了圓錐管套管接頭的彈塑性軸對稱接觸有限元模型.通過有限元分析得到了套管接頭在不同的使用工況(包括過盈、施加軸向拉伸載荷等)下螺紋牙整體的應力分布規律;同時以圓錐管螺紋接觸齒面為研究對象,得到了螺紋牙導向面和承載面上從齒頂到齒根的應力分布趨勢.

套管螺紋;有限元分析;過盈;應力分布;接觸齒面

0 引言

圓錐管螺紋在油氣田領域應用廣泛.目前石油工業中的油套管普遍采用1:16的圓錐管螺紋聯接, 80%的油管失效發生在油管螺紋的聯接處[1].因此,螺紋接頭是油管聯接中最薄弱的環節,提高油管螺紋的質量對保證油井正常工作起著關鍵作用.

本文以P-110S圓錐管螺紋為例,利用ABAQUS大型有限元分析軟件,建立了圓錐管套管接頭的彈塑性軸對稱接觸有限元模型.在建模過程中引入過盈量,通過有限元分析得到了套管接頭在不同的使用工況(包括過盈、施加軸向拉伸載荷等)下螺紋牙整體的應力分布規律;同時以圓錐管螺紋接觸齒面為研究對象,得到了螺紋牙導向面和承載面上從齒頂到齒根的應力分布趨勢.

1 有限元模型的建立

本文以APIφ88.9mm×2.54mm P-110S鋼級的圓錐套管為研究對象,套管聯接的幾何尺寸見API SPEC 5CT[2]和APISPEC 5B[3]標準,套管材料的力學特性見表1.根據套管接頭的結構和受力特點,在有限元建模時引入以下簡化和假設:

(1)忽略螺旋升角的影響,采用軸對稱結構(ABAQUS關于Y軸對稱);

(2)接觸面之間的摩擦系數與采用的螺紋脂有關,一般為0.015～0.025[4]之間,本次計算假定摩擦系數為0.02.

根據以上假設,將套管接頭作為軸對稱問題處理.采用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS進行建模、劃分網格和分析,選用的單元類型為CAX8R(8節點二階軸對稱縮減積分單元),模型的網格劃分采用結構化網格,有限元建模和網格劃分見圖1、圖2.

表1 模型的材料特性

圖1 有限元模型

圖2 網格劃分

2 有限元計算結果

2.1 過盈圈數對齒面應力的影響

圓錐管螺紋聯接在過盈聯接時,在螺紋齒面上均會產生分布復雜的徑向應力和接觸應力.圖3和圖4分別表示了螺紋導向面和承載面上的徑向應力和接觸壓力隨過盈圈數的變化.

由圖3和圖4可見,在過盈聯接中,螺紋導向面上的徑向應力和接觸壓力均呈現兩端高、中間低的分布趨勢,而螺紋承載面上靠近管體端面的第1、第2圈螺紋牙的徑向應力和接觸壓力比較高.當過盈圈數較小時,各螺紋牙嚙合齒面上的徑向應力和接觸壓力的差別不明顯,圓錐管螺紋聯接的應力分布相對比較均勻.隨著過盈圈數的逐漸增加,螺紋導向面上的徑向應力和接觸壓力逐漸升高,尤其是距管體端面的第1、第2圈以及第15、第16圈螺紋牙上的徑向應力和接觸壓力增加最快,而螺紋承載面上距管體端面的前3圈螺紋牙上的徑向應力和接觸壓力增加較快,后面十幾圈螺紋牙上的應力分布較平穩,管體兩端承載面螺紋牙上的徑向應力和接觸壓力分布開始不均勻.

圖3 過盈聯接中導向面上的徑向應力和接觸壓力分布

圖4 過盈聯接中承載面上的徑向應力和接觸壓力分布

2.2 軸向載荷對齒面應力的影響

在過盈聯接中施加軸向載荷時,導向面和承載面上的接觸壓力相差很大,接觸壓力的分布關于螺紋牙的中心線不對稱.從圖4(b)上可以看到,在過盈三圈時,距管體端面第1圈螺紋牙承載面上的接觸壓力達到672M Pa,已經很接近P110-S的屈服極限了,如果施加很大的軸向載荷,就容易使管體螺紋牙發生塑性變形.圖5至圖7分別表示了不同過盈圈數下軸向載荷對于螺紋牙接觸壓力的影響.

由圖5可見,過盈一圈并施加較小的軸向載荷(100M Pa)時,軸向載荷對螺紋導向面上的徑向應力和接觸壓力影響不大,由于軸向載荷的作用使得管體和接箍螺紋導向面的接觸緊密度降低,因此導向面上接觸壓力略有降低.對于承載面,接觸壓力隨載荷的增加而增大.隨著軸向載荷的增大,螺紋導向面和承載面上的應力變化明顯,當軸向載荷增大到300M Pa時,對導向面而言,前9圈螺紋牙導向面上的接觸壓力降低為0,這表明前9圈螺紋牙導向面全部脫離接觸,后幾圈螺紋牙導向面的接觸壓力也大大減小;當軸向載荷增大到500M Pa時,從圖5(b)可以看到16圈螺紋牙導向面全部脫離了接觸,接觸壓力全部降為0,而承載面上的接觸壓力隨著軸向載荷的增大而增大.

由圖6可見,過盈兩圈時,管體和接箍螺紋導向面間的接觸更為緊密,從圖6(a)可以看見當軸向載荷增大到500M Pa時,前9圈螺紋牙導向面全部脫離接觸,導向面上的接觸壓力降低為0,而過盈一圈時只需要300M Pa就能使前9圈螺紋牙導向面脫離接觸.對于承載面而言,承載面上的接觸壓力仍然隨著軸向載荷的增大而增大.

由圖7可見,過盈三圈時,對于導向面而言,在500M Pa的軸向載荷下,前4圈螺紋牙導向面發生脫離,接觸壓力降為0.對于承載面而言,總的趨勢是接觸壓力隨著軸向載荷的增大而增大,但是對于距管體第1圈的螺紋牙,情況有所不同.觀察圖7(b)可以發現,施加100M Pa的軸向載荷時,第1圈螺紋牙的接觸壓力升高,但是當施加軸向載荷至300M Pa和500M Pa時,第1圈螺紋牙的接觸壓力反而下降,而第2圈螺紋牙的接觸壓力則有較大幅度的提高.究其原因是這時第1圈螺紋牙處已經超過了材料的屈服極限,發生了塑性變形,導致了第1圈螺紋牙承受的載荷向第2圈螺紋牙轉移,因此容易使螺紋聯接出現粘扣、滑脫等失效現象.

2.3 接觸齒面應力分布

除了用有限元分析圓錐螺紋聯接的整體受力分布,本文還以螺紋牙接觸齒面為研究對象,分析螺紋聯接在過盈以及軸向載荷下接觸齒面上的應力分布規律.圖8到圖13分別顯示了過盈兩圈和三圈時不同螺紋牙上導向面和承載面上的齒面應力分布.

由圖8到圖10可見,螺紋牙接觸齒面的應力分布整體呈現兩端高、中間低的特點,在螺紋牙圓角和齒面過渡的地方,由于存在幾何尺寸的不連續,在過盈時會嵌入到接箍螺紋接觸面中,因此會導致應力集中現象的產生,這也正是接觸應力分布中兩個極大值產生的原因.但是由于彈性變形的作用,在較小的載荷作用下不一定會發生塑性變形.過盈兩圈時,隨著軸向載荷的增大,螺紋牙導向面上的接觸應力逐漸減小,這是由于導向面之間的接觸在軸向載荷作用下不緊密所致,而承載面上的接觸應力則隨著軸向載荷的增大而增大.

由圖7(b)以及圖11到圖13可見,過盈三圈并施加100MPa的軸向載荷時,第1圈螺紋牙的接觸壓力升高,但是當施加軸向載荷至300MPa和500M Pa時,第1圈螺紋牙的接觸壓力反而下降,而第2圈螺紋牙的接觸壓力則有較大幅度的提高.究其原因是這時第1圈螺紋牙處已經超過了材料的屈服極限,發生了塑性變形,導致了第1圈螺紋牙承受的載荷向第2圈螺紋牙轉移.觀察圖11(b)后也發現,螺紋牙承載面上的接觸應力隨著載荷的增大而降低,這表明第一牙的確發生了塑性變形,承載能力有所下降,第二牙的承載能力上升.

總體來看,對于理想狀態下的圓錐管螺紋聯接而言,螺紋在過盈聯接以及承受軸向拉伸載荷下,螺紋牙齒面上的徑向應力和接觸應力的分布均呈現兩端高、中間低的趨勢,而且兩端的應力分布都遠大于中間的部分.這種分布說明圓錐管螺紋聯接所承受的載荷大部分集中在兩端少數的幾顆螺紋牙上,中間大部分螺紋牙并沒有被有效的利用起來承擔載荷.同時生產實踐中也進一步證明了螺紋失效主要集中在聯接的兩端,尤其是大端的少數幾顆螺紋牙上.由于這種分布的不合理,使各個螺紋牙沒有很好的發揮潛力,導致螺紋聯接過早的出現失效.

3 結論

本文以P-110S圓錐管螺紋為例,利用ABAQUS大型有限元分析軟件,建立了圓錐管套管接頭的彈塑性軸對稱接觸有限元模型.通過有限元分析表明,過盈聯接時,螺紋聯接整體導向面和承載面上的徑向應力和接觸壓力均呈現兩端高、中間低的分布趨勢.當過盈圈數較小時,各螺紋牙嚙合齒面上的徑向應力和接觸壓力的差別不明顯,圓錐管螺紋聯接的應力分布相對比較均勻;隨著過盈圈數逐漸增加,螺紋嚙合齒面上的徑向應力和接觸壓力逐漸升高,尤其是套管聯接兩端螺紋牙上的徑向應力和接觸壓力增加最快,各螺紋牙上的徑向應力和接觸壓力分布出現不均勻.在過盈聯接中施加軸向載荷,當過盈圈數和軸向載荷較小時,螺紋牙導向面上的接觸壓力變化不大;當過盈圈數和軸向載荷較大時,螺紋導向面間的接觸容易脫離,螺紋承載面上的螺紋牙容易發生塑性變形.圓錐管螺紋聯接所承受的載荷大部分集中在兩端少數的幾顆螺紋牙上,中間大部分螺紋牙并沒有被有效的利用起來承擔載荷,這種分布的不合理,使各個螺紋牙沒有很好的發揮潛力,導致螺紋聯接過早的出現失效.

[1]馬永才.油管螺紋聯接上扣狀態受力分析[J].中國材料科技與設備,2008,(3):80-83.

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[4]王治國,劉甫清,唐豪清.關于圓螺紋套管API最佳上扣扭矩合理性的探索[J].寶鋼技術,2001,(2):60-64.

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[7]莊茁,由小川,廖劍暉,等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京:清華大學出版社,2009.

Research of Con tact StressD istr ibution on Thread Teeth Surfacesa t Threaded Connections

CHEN Shou-jun1,SANG Sheng-ju1,2,ZHANG Yi3,AN Q i1
(1.SchoolofM echanical and Pow er Engineering,EastChinaUniversity of Science and Techno logy,Shanghai,200237;
2.Schoolof Inform ation Science&Techno logy,Taishan University,Tai’an,271021;
3.W uxi Seam lessO il Pipe Co.,L td,W uxi,214028,China)

Tak ing P-110S conic th readed connec tions as a calcu lating exam p le and using the large finite elem ent analysis software ABAQUS,a finite elem en tmodelw ith elastic-p lastic axisymm etric contactp rob lem w as estab lished.By use of the finite elem entanalysis,the stress distribution on thread teethwasanalyzed under different kindsof conditions,such as interference fitandm ake-up w ith tensile load p rocess.And taking the con tac t teeth su rface as research ob jec t,the stress d istribu tion from teeth top to teeth roo ton o rien ted and load ing flank wasobtained.

threaded connections;finite elem ent analysis;interference fit;stress distribution;contact teeth surface

TH123.4;TH131.1;TE256.9

A

1672-2590(2010)03-0049-07

2010-04-17

陳守俊(1985-),男,上海人,華東理工大學機械與動力工程學院博士研究生.