彎曲載荷下隔水管特殊螺紋接頭參數與應力關系研究

劉賢玉，于永南，宋作苓，孫建忠

（中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東青島266555） ＊

彎曲載荷下隔水管特殊螺紋接頭參數與應力關系研究

劉賢玉，于永南，宋作苓，孫建忠

（中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東青島266555）＊

針對海洋環境中隔水管存在較大彎曲載荷的情況，采用有限元軟件ANSYS對隔水管最易失效的特殊螺紋接頭建立了三維接觸有限元模型，得到了在彎曲載荷作用下螺紋接頭的應力分布。結果表明：最大應力出現在接頭本體拉伸側的第1圈或最后1圈螺紋的根部；接頭本體拉伸側與壓縮側的螺紋根部應力分別與環向角近似成1／2個正弦波函數關系。在此基礎上進一步分析了壁厚、螺高、螺距、螺紋圈數和錐度等參數對螺紋處最大等效應力的影響，為隔水管特殊螺紋接頭的設計與優化提供了理論依據。

隔水管；彎曲載荷；特殊螺紋；應力；ANSYS

隔水管是避免海上油井發生事故的主要工藝結構之一。由于隔水管特殊螺紋接頭可以極大地提高生產效率，降低生產成本，因此特殊螺紋接頭隔水管得到了較廣泛的應用。隔水管處于較復雜的海洋環境中，在風、海浪以及海流等作用下，隔水管承受彎曲、軸力、外壓、內壓等多種載荷，工作條件惡劣，因而易出現隔水管失效事故。導致隔水管失效的主要載荷是彎曲載荷，隔水管特殊螺紋連接處是最薄弱環節。目前對螺紋連接的研究主要集中在上扣、內壓、外壓與軸向載荷等對稱邊界與載荷，并簡化成平面模型求解［1－4］。隔水管螺紋接頭承受的彎曲載荷為非軸對稱載荷，較難簡化成平面軸對稱模型求解［5－6］。目前尚未發現通過建立三維有限元模型，對彎曲載荷作用下特殊螺紋接頭應力分布規律進行研究的文獻報道。為提高隔水管螺紋的連接強度，避免螺紋過早失效，本文利用ANSYS軟件建立了特殊螺紋接頭三維簡化模型，分析了螺紋接頭在彎曲荷載作用下螺紋處應力分布規律，進而分析了應力與螺紋參數之間的關系［7－9］，為隔水管特殊螺紋的設計優化提供依據。

1 接頭模型與邊界條件

以東海某油田609.6mm×25.4mm（24英寸×1英寸）隔水管為例，在百年一遇波流作用下，隔水管最大彎矩為1 974kN·m，相應的軸向拉力為243.6kN。由于隔水管承受的彎矩較大，將隔水管特殊螺紋接頭設計成偏梯形螺紋連接［10］，導向側面與螺紋軸線的垂線間的夾角為10°，承載面與螺紋軸線的垂線間的夾角為3°。3°承載面可使螺紋在較大的軸向拉伸載荷下具有抗滑脫性能，而10°導向面可使螺紋承受較大的軸向壓縮載荷［11］。

螺紋連接處的接觸面為空間螺旋面，但由于螺紋升角較小，故建模時忽略升角影響，將結構視為軸對稱結構。螺紋接頭建模采用三維20節點等參單元solid95，此單元可用來模擬不規則形狀而不會降低精度。利用接觸向導生成接觸對，目標單元采用Targe170，接觸單元采用Contact174，摩擦因數取0.2。由于應力集中主要在螺紋嚙合處［2］，故在建模時對螺紋連接處進行網格細化，其余部位進行較粗的網格劃分。材料模型采用線彈性材料模型，彈性模量210GPa，泊松比0.3。對內螺紋遠離螺紋牙處的端面全約束，外螺紋遠離螺紋牙處的端面施加彎矩1 974kN·m，拉力243.6kN，其有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

為了便于計算結果的處理，對接頭的螺紋牙進行編號。螺紋牙號以內螺紋為標準，從內螺紋的擋肩面開始為螺紋牙第1圈，外螺紋牙圈號與內螺紋對應。

2 有限元分析結果

隔水管螺紋錐度為1︰16，螺高h為7mm，螺距P為30mm，圈數n為7，接頭最大總厚度為85.4 mm，經有限元計算得外螺紋等效應力分布如圖2所示，內螺紋應力布如圖3所示。由圖2～3可知：在彎曲與軸向拉伸載荷作用下，接頭應力分布不均勻，螺紋處及管體連接處應力集中明顯；接頭等效應力（Von Mises應力）最大值為477MPa，發生在外螺紋本體拉伸側最后1圈螺紋根部；內螺紋等效應力最大值為364MPa，發生在內螺紋本體拉伸側第1圈螺紋根部。

圖2 內螺紋等效應力云圖

圖3 外螺紋等效應力云圖

各圈螺紋的最大等效應力與法向最大接觸壓力分布曲線如圖4所示。由圖4可知：螺紋牙接觸壓力兩端較大，中間較小，且最后2圈的接觸壓力較前2圈的接觸壓力大，最大接觸壓力均發生齒腹部分；外螺紋前2圈等效應力相對較小，后5圈應力隨著圈號的增加而逐漸增大；內螺紋兩端螺紋應力較大，中間螺紋應力較小，螺紋應力隨圈號近似呈拋物線分布；內外螺紋每圈最大應力均發生在接頭本體拉伸側的齒根部位，數值上每圈螺紋的最大應力均明顯大于最大接觸壓力。

圖4 各圈螺紋牙最大等效應力及接觸壓力

螺紋局部等效應力與接觸壓力分布曲線如圖5所示，其中環向角0～180°對應在彎曲載荷下接頭本體拉伸側的螺紋，環向角180～360°對應接頭本體壓縮側的螺紋。在接頭本體拉伸側，內螺紋擋肩與外螺紋靠近螺紋牙處的端面相分離，無接觸壓力；在接頭本體壓縮側，擋肩接觸壓力分布與環向角近似成1／2個正弦波函數關系，接觸壓力最大值為105MPa。接頭本體拉伸側與壓縮側的螺紋牙應力及接觸壓力分布分別與環向角近似成1／2個正弦波函數關系。由于接頭本體壓縮側的擋肩承受了較大的接觸壓力，故同一圈螺紋在接頭本體壓縮側的接觸壓力及應力遠小于拉伸側對應位置處的接觸壓力與應力。

圖5 外螺紋局部等效應力及接觸壓力

3 螺紋參數的影響

3.1 螺紋壁厚

螺紋最大等效應力隨螺紋接頭處總壁厚的變化曲線如圖6所示。各圈螺紋牙接觸壓力分布與螺紋本體的剛度和螺紋牙的剛度有關，螺紋本體剛度越大，螺紋牙剛度越小，則各圈螺紋牙承受的接觸壓力越均勻，螺紋最大應力越小［12］。當螺紋接頭總壁厚增加時，螺紋本體剛度變大，從而使各螺紋牙應力分布趨于均勻，螺紋最大應力降低。當螺紋壁厚增加到一定值時，螺紋嚙合處相對管體位置出現了較明顯的偏移，使螺紋應力分布不均勻，最大應力不再減小甚至增加。

圖6 不同加厚厚度螺紋等效應力

3.2 螺高

螺紋最大等效應力隨螺高的變化曲線如圖7所示。一方面，螺高增加時螺紋牙柔性增大，從而使螺紋接觸壓力分布較均勻，同時螺高的增加使得螺紋接觸區域增大，使接觸壓力分布更為合理，各螺牙應力較為均勻；另一方面，在相同大小的接觸壓力下，螺高較大時螺紋牙的根部應力相對螺高較小時的根部應力大，增加螺高，會加劇螺紋根部應力集中。當螺高較小時，增加螺高可明顯改善接觸壓力分布，而螺紋根部應力集中還不太顯著，故螺紋最大應力減小。螺高增加到一定值時，螺紋牙較大的柔性使得每圈螺紋承受的總接觸壓力相近；繼續增加螺高，每圈螺紋的總接觸壓力變化不大，而較大的螺高使得螺紋牙根部應力集中明顯，螺紋最大應力增加。當螺距為20、25、30mm時，螺紋最大應力在螺高為5 mm時取最小值；螺距為35mm時，螺紋最大應力在螺高為6mm時取最小值。

圖7 不同螺高螺紋等效應力

3.3 螺距

螺紋最大等效應力與螺距的變化曲線如圖8所示。由圖8可知：隨著螺距的增大，最大等效應力減小。一方面，螺距的增加提高了單圈螺紋牙的抗彎剛度與抗剪強度，提高了單圈螺紋牙承載能力，螺紋根部應力減小；另一方面，螺紋牙剛度的增加會使螺紋接觸壓力分布不均勻，尤其是螺紋第1圈與最后1圈嚙合處（接頭高應力區）接觸壓力明顯增大，導致螺紋根部應力增加。當螺距＜35mm時，第1種因素起主導作用，螺距增加時最大應力減小較為明顯；當螺距增加為35mm時，2種因素作用基本相當，最大應力基本維持在一定水平內。考慮到螺紋牙的抗剪強度，應在一定范圍內增大螺距。

圖8 不同螺距螺紋等效應力

3.4 螺紋圈數

螺紋最大等效應力隨螺紋圈數的變化曲線如圖9所示。隨著嚙合圈數的增加，螺紋連接處的接觸面積增加，單圈螺紋牙承受的接觸壓力減小，齒根處的應力減小。當圈數n＜7時，螺紋第1圈與最后1圈嚙合處接觸壓力隨圈數的增加明顯減小，齒根應力較多地轉移到了其他螺紋牙上，最大應力降低較顯著；當圈數n＞7時，螺紋第1圈與最后1圈嚙合處接觸壓力隨圈數的增加降幅不大，最大應力減小較慢，且此時不同螺距下螺紋最大應力相差不大。故隔水管接頭螺紋嚙合圈數達到一定數目時，再增加嚙合圈數并不能顯著提高其抗彎強度。

圖9 不同螺紋圈數螺紋等效應力

3.5 螺紋錐度

螺紋最大等效應力隨螺紋錐度的變化曲線如圖10所示。由圖10可知：當螺紋錐度從零增大到1︰32時，不同螺紋圈數下的螺紋應力均有較為明顯的減小。當螺紋圈數n＜9時，1︰32、1︰16與1︰8錐度下的螺紋應力接近，應力隨錐度的增大略有減小；當螺紋圈數n＞9時，螺紋應力隨錐度的增大有一定幅度的減小。總體上看，圓錐螺紋錐度的大小對螺紋應力影響不大；圓錐螺紋的應力分布優于柱形螺紋。由于圓錐螺紋的錐度增加了螺紋連接的接觸面積與螺紋根部端面積，提高了螺紋連接的定心精度與連接剛性，使得螺紋應力分布較均勻。

圖10 不同螺紋錐度螺紋等效應力

4 結論

1） 各種螺紋參數下接頭最大等效應力均出現在接頭本體拉伸側內螺紋第1圈螺紋或外螺紋最后1圈螺紋的根部，該處為應力嚴重集中區。

2） 在接頭本體拉伸側與壓縮側的接觸壓力及應力分別與環向角近似成1／2個正弦波函數關系分布，且由于擋肩作用，拉伸側的應力遠大于壓縮側的應力。

3） 增加螺紋壁厚可減小螺紋應力，但壁厚過大反而會使應力增加；螺紋應力隨螺高的增大先減小后增大；應力隨螺距的增大而減小，螺距增加到一定值時應力變化不大；應力隨螺紋圈數的增加而減小，減小幅度先大后小；錐螺紋的應力分布優于柱螺紋，錐螺紋錐度的大小對應力影響不大。

4） 對于本文給定的隔水管尺寸及載荷，綜合考慮安全因素與加工成本，螺紋接頭取壁厚約80 mm、螺高5～6mm、螺距約30mm、螺紋圈數7左右、錐度1︰16時較為合理。

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Research on Relations of Stress and Parameter of Premium Threaded Connections on Riser Subjected to Bending Load

LIU Xian－yu，YU Yong－nan，SONG Zuo－ling，SUN Jian－zhong
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

According to the situation of riser subjected to large bending load at the ocean circumstance，the 3Dcontact finite element analysis model for premium threaded connections which is the most likely to become failure is established with the finite element software of ANSYS.The characteristic of Stress distribution on threaded connections under bending loads is obtained.The result reveals that the maximum stress exists on the first or the last round of thread root in the tensile side of connections；the relations of thread root stress distribution in the tensile side and compressive side of the connections with circular angle is represented as approximately half sine respectively.On this basis，detailed analysis is given on the effect of the threaded parameter such as wall thickness，depth of thread，thread pitch，number of thread teeth and taper on the maximum equivalent stress.Thus it can be taken as references in design and optimization of premium threaded connections.

riser；bending load；premium threaded；stress；ANSYS

1001－3482（2012）07－0006－05

TE953

A

2012－01－12

劉賢玉（1987－），男，江西九江人，碩士研究生，主要從事管柱力學研究，E－mail：liuxianyu1987＠163.com。