雙臺(tái)肩螺紋接頭參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究

張 林,羅 增,林元華,盧 強(qiáng),周 平

(1.西南石油大學(xué)石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610500;2.塔里木油田分公司,新疆庫(kù)爾勒841000)

雙臺(tái)肩螺紋接頭參數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究

張 林1,羅 增1,林元華1,盧 強(qiáng)2,周 平2

(1.西南石油大學(xué)石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610500;2.塔里木油田分公司,新疆庫(kù)爾勒841000)

研究的目的是分析雙臺(tái)肩螺紋接頭尺寸參數(shù)變化引起的應(yīng)力、應(yīng)變分布變化情況。建立了標(biāo)準(zhǔn)螺紋及螺紋參數(shù)變化情況下應(yīng)力、應(yīng)變與外載荷的關(guān)系。確定了雙臺(tái)肩螺紋接頭尺寸參數(shù)變化對(duì)螺紋最大應(yīng)力或應(yīng)變影響程度的隊(duì)列,得到了雙臺(tái)肩螺紋接頭部分尺寸的公差范圍。

雙臺(tái)肩;螺紋參數(shù);有限元

在塔里木油田的超深井小井眼鉆井過程中,小尺寸鉆具抗扭強(qiáng)度不足成為制約其安全、快速鉆進(jìn)的一個(gè)瓶頸問題,而受井身結(jié)構(gòu)制約,鉆桿接頭和鉆鋌外徑都受到限制,因此需要選擇一種新的螺紋結(jié)構(gòu)來解決超深井小井眼鉆井鉆具抗扭強(qiáng)度不足等問題。雙臺(tái)肩鉆具接頭具有主臺(tái)肩和次臺(tái)肩,鉆井過程中由主臺(tái)肩和次臺(tái)肩共同承擔(dān)扭矩,其抗扭強(qiáng)度比傳統(tǒng)API螺紋結(jié)構(gòu)高30%～40%[1-4]。本文建立了雙臺(tái)肩鉆具接頭的有限元模型,分析了雙臺(tái)肩鉆具螺紋參數(shù)變化與應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系,確定出雙臺(tái)肩鉆鋌接頭部分尺寸的公差范圍。

1 雙臺(tái)肩接頭有限元建模

1.1 雙臺(tái)肩接頭參數(shù)

雙臺(tái)肩接頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1。

圖1 雙臺(tái)肩接頭主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 材料模型

鉆鋌螺紋接頭的材料為42CrMo,其彈性模量206 GPa,泊松比013,屈服應(yīng)力930 MPa,屈服應(yīng)變0.004 514 56,抗拉強(qiáng)度1 080 MPa,線性硬化系數(shù)1 300,臺(tái)肩及螺紋處摩擦因數(shù)取0.15。材料非線性力學(xué)特性采用多線性等向強(qiáng)度化模型,如圖2。屈服準(zhǔn)則為Von miss屈服準(zhǔn)則。

圖2 多線性材料模型

1.3 有限元模型及網(wǎng)格

建立有限元計(jì)算模型時(shí),公、母接頭長(zhǎng)度均取159.46 mm,在主、次臺(tái)肩均接觸。考慮到螺紋連接可以近似處理為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),分析時(shí)采用軸對(duì)稱模型,網(wǎng)格采用平面四邊形單元,螺紋牙及臺(tái)肩處設(shè)置接觸單元。雙臺(tái)肩鉆鋌單元采用自由劃分,劃分設(shè)置為四邊形單元,質(zhì)量警告時(shí)分裂為三角形單元(split on warning),其他設(shè)置為程序選擇(program chosen)。接觸單元由軟件中的接觸單元向?qū)?chuàng)建,采用面對(duì)面接觸,分別在螺紋牙面和主、次臺(tái)肩生成3對(duì)接觸對(duì)[5]。接頭螺紋有限元網(wǎng)格如圖3。

圖3 接頭螺紋有限元網(wǎng)格

2 雙臺(tái)肩接頭有限元分析

2.1 載荷工況

在分析接頭螺紋參數(shù)變化引起的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系時(shí),保持母接頭螺紋參數(shù)不變,分析變量為公接頭各螺紋參數(shù)。調(diào)整公接頭螺紋參數(shù)公差范圍,選取不同公差值進(jìn)行分析,確定最佳的公接頭公差,有限元計(jì)算載荷工況如表1。

表1 計(jì)算載荷工況

2.2 有限元分析結(jié)果

2.2.1 螺距極限偏差

當(dāng)公接頭螺紋螺距改變時(shí),不同螺距公接頭螺紋在拉力、內(nèi)外壓等工作載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變隨螺距偏差變化曲線如圖4～5。當(dāng)螺距減小時(shí),由于螺距累積誤差使公接頭螺紋最后幾牙的上工作面產(chǎn)生較大過盈量,因此接觸應(yīng)力增大,其應(yīng)變變化緩慢;當(dāng)螺距增大時(shí),由于累積誤差使公接頭螺紋最后幾牙的下工作面產(chǎn)生較大過盈量,施加拉力載荷后,過盈量有所減小,接觸區(qū)域集中在前端的工作牙隨著螺距增大,接觸應(yīng)力增大,應(yīng)變迅速增大。當(dāng)螺距偏差增大時(shí),螺紋過盈量增大,所需預(yù)緊力也將增大。綜合考慮螺距偏差對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變的影響,以接觸應(yīng)力為1 200 MPa為判定依據(jù),采用插值計(jì)算,建議螺距上偏差<0.01 mm,下偏差>-0.01 mm。

圖4 不同螺距的公接頭螺紋等效應(yīng)變

圖5 不同螺距的公接頭螺紋應(yīng)力

2.2.2 錐度極限偏差

當(dāng)公接頭螺紋錐度改變時(shí),不同錐度的接頭螺紋在拉力、內(nèi)外壓工作載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變隨錐度偏差變化曲線如圖6～7。當(dāng)錐度減小時(shí),公接頭螺紋最后幾牙與母接頭螺紋出現(xiàn)雙邊接觸,施加拉力和內(nèi)外壓載荷后,由于公接頭尾部與母接頭存在過盈,螺紋接觸應(yīng)力增大,隨著錐度進(jìn)一步減小,螺紋工作牙接觸區(qū)域逐漸移向公接頭螺紋牙頂,致使接觸應(yīng)力增大較快,同時(shí)雙邊接觸的螺紋工作牙數(shù)增加,公接頭尾部與母接頭的過盈量繼續(xù)增大,其等效應(yīng)變迅速增大,應(yīng)力集中也較嚴(yán)重;當(dāng)錐度增大時(shí),公接頭螺紋工作牙與母接頭螺紋工作牙接觸面積減小,公接頭螺紋尾部的工作牙與母接頭逐漸分離,施加拉力和內(nèi)外壓載荷后,受載螺紋主要集中在公接頭螺紋前幾牙;隨著錐度進(jìn)一步增大,與母接頭螺紋分離的工作牙數(shù)增加,受載螺紋更加集中,接觸應(yīng)力和應(yīng)變也相應(yīng)增大,但變化比較緩慢,應(yīng)力變化不太大。綜合考慮錐度偏差對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變的影響,建議螺紋錐度上偏差<0.005,下偏差>0。

圖6 不同錐度的公接頭螺紋等效應(yīng)變

圖7 不同錐度的公接頭螺紋應(yīng)力

2.2.3 牙型角極限偏差

當(dāng)螺紋牙型角改變時(shí),不同牙型角接頭螺紋在拉力、內(nèi)外壓工作載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變隨牙型角偏差變化曲線如圖8～9。當(dāng)牙型角減小或增大時(shí),接觸面傾斜,螺紋牙接觸區(qū)域分別移向公接頭螺紋牙根部位和母接頭螺紋牙頂部位,接觸面積減小,接觸應(yīng)力增大。綜合考慮牙型角偏差對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變的影響,以接觸應(yīng)力1 500 MPa為判定依據(jù),采用插值計(jì)算,建議螺紋牙型角上偏差<0.75°,下偏差>-0.65°。

圖8 不同牙型角的公接頭螺紋等效應(yīng)變

圖9 不同牙型角的公接頭螺紋應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

建立了雙臺(tái)肩鉆具接頭的有限元模型,分析了螺距、錐度、牙型角3種參數(shù)在不同公差下螺紋根部應(yīng)力集中的影響規(guī)律及影響程度,為雙臺(tái)肩鉆具接頭螺紋的設(shè)計(jì)和研制提供了參考依據(jù)。

[1] 胡芳婷,盧 強(qiáng),張 琦,等.雙臺(tái)肩技術(shù)在小尺寸鉆鋌上的應(yīng)用研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(5):14-21.

[2] 賈永紅,王云梁,楊錦榮.雙臺(tái)肩螺紋結(jié)構(gòu)在?17718 mm鉆鋌上的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(12):93-94.

[3] 林元華,施太和,姚振強(qiáng),等.鉆具螺紋接頭力學(xué)性能計(jì)算方法及其應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39 (7):58-62.

[4] 張 毅,王治國(guó),劉甫清.鉆桿接頭雙臺(tái)肩抗扭應(yīng)力分析[J].鋼管,2003,32(5):7-10.

[5] 陳如欣,胡忠民.塑性有限元及其在金屬成形中的應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1991.

Research on Double Shoulder Tool Joint Parameter and Stress-strain Relations

ZHANG Lin1,LUO Zeng1,LIN Yuan-hua1,LU Qiang2,ZHOU Ping2
(1.Key L aboratory f or Tubular Goods,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China; 2.Tarim Oilf ield Company,Korla841000,China)

The main purpose of this study is to analyze the stress and strain distribution changes caused by the double shoulder tool joint parameter change,the relationship between the standard thread parameters changing under stress,strain and external load established.Ascertaining the double shoulder tool joint thread size parameter change on the maximum stress or strain affect the level of the queue,thus part of the dimensional tolerance range of the double shoulder joint was obtained.

the double shoulder tool joint;thread parameters;finite element analysis

1001-3482(2010)04-0021-03

TE921.2

A

2009-11-06

“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”和四川省杰出青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)基金資助(06ZQ026-028)

張 林(1983-),男,四川南充人,碩士研究生,主要從事油井管、油氣鉆井工藝方面的研究,E-mail:swpu_zl@ 163.com。