復合載荷作用下特殊螺紋套管接頭性能分析*

宋偉偉 ，紀愛敏* ，李 塹 ，樊鑫業 ，許才斌

(1．河海大學機電工程學院，江蘇常州213022;2．江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇常州213018)

0 引 言

套管接頭運用螺紋的連接作用，把幾百根套管連接起來形成長度達到幾千米的管柱，從而能夠開采到貯藏在地表下石油。螺紋接頭在套管連接中是最容易失效的位置，其性能直接決定了整個套管柱的使用壽命。油套管螺紋接頭一般分為兩種:①按照API 標準而生產的螺紋接頭，包括圓螺紋和偏梯形螺紋的;②各個廠家根據實際使用環境而自行研究開發的特殊螺紋接頭［1］。雖然對圓螺紋和偏梯形螺紋的接頭的研究較早，同時加工這兩種螺紋的設備和技術都比較完善，能夠減少很多不必要的成本。但是其存在很多缺點，如接頭連接強度較低、接頭應力水平高易失效，密封性能不可靠。隨著油氣資源鉆采技術的不斷提高，出現了很多深井、超深井和天然氣井，使得油套管接頭的使用條件更加的惡劣，API 螺紋由于本身存在的缺點已經不能滿足日益惡劣的使用環境，各大油套管接頭的生產廠商開始認識到特殊螺紋接頭的研究的重要性和必要性［2-3］。隨著計算機技術的不斷發展，有限元方法逐漸成為了一種方便有效的分析問題的方法，已經在很多領域得到了非常廣泛地使用。利用有限元方法對在復合工況下套管螺紋接頭進行力學性能分析，可以降低套管設計的周期和設計成本，也為套管設計提供了比較科學詳細的論據［4-7］。

本研究選擇使用ANSYS 有限元分析軟件，對外徑為177．8 mm、壁厚為9．19 mm 的特殊螺紋套管接頭進行有限元建模和性能分析，利用ANSYS 中接觸分析功能模塊分析特殊螺紋套管接頭在上扣過盈配合、遞增的軸向拉力、遞增的內壓以及復合載荷下的連接性能和密封性能。

1 套管螺紋接頭模型簡化和網格劃分

該螺紋套管接頭的螺紋牙形是對偏梯形螺紋進行了稍微的調整改造而成的，同時選擇使用錐面對錐面的主密封與負角度的扭矩臺肩的雙重密封形式，來加強套管接頭的密封性能。選擇－2．5°的扭矩臺肩的設計形式是為了對接頭上扣進行定位控制，同時有利于提高接頭的抗粘扣的能力以及抗過扭矩能力，保證接頭不被破壞。套管接頭的主要結構參數如表1 所示。螺紋接頭的結構示意圖如圖1 所示。

表1 特殊螺紋接頭主要結構參數

圖1 特殊螺紋結構示意圖

為了保證分析結果的準確性，筆者在建模過程中考慮圣維南原理，有限元分析模型管體長度應該大于整個螺紋長度的2 倍［8］。為分析螺紋套管接頭的管體和接箍的幾何結構特征和材料特性，本研究在建模過程中運用以下幾個假設條件［9-10］:套管接箍內螺紋在接箍的中間面兩邊是對稱的，所以取中間面的一邊進行有限元建模;接頭和套管關于中心軸線對稱，連接螺紋有螺紋升角，考慮到它的值很小，它對計算結果的影響忽略不計，使用二維彈塑性軸對稱有限元簡化模型;套管接箍和管體的材料均滿足各向同性，同時當接頭應力超過屈服極限后滿足材料各向同性強化準則。

本研究根據套管接箍結構對稱性和實際的載荷情況，約束住接箍中面沿軸向的移動，徑向方向不施加約束。筆者選取PLANE182 單元，然后在材料特性中設置套管材料的相關參數:材料的彈性模量E 為1．94 ×105MPa，密度為8 000 kg·m3，泊松比為0．3，屈服強度為758 MPa，抗拉強度為862 MPa。根據以上條件，本研究使用自由網格對套管接頭模型進行網格劃分，對螺紋和密封面的接觸處的網格進行細化網格處理來增加分析的準確性。

螺紋接頭在上扣后是非常復雜的非線性邊界條件接觸問題，套管螺紋接頭的接觸是典型的面-面接觸，本研究采用CONTA172 和TARGE169 接觸單元建立面-面接觸對，劃分完網格后在有限元模型的接觸面上建立接觸對;對有限元模型進行分析時，選擇庫倫摩擦模型來模擬套管主密封面和螺紋牙接觸表面的摩擦。摩擦系數和套管的加工質量、套管的使用條件、螺紋表面粗糙度等很多原因有關，通常情況下取0． 015～0．035，本研究在分析時摩擦系數取為0．03。由于考慮到材料在受載荷后表現出幾何非線性的特點，求解過程中在ANSYS 的求解器中把求解類型設置成大變形情況。

根據上面的描述對套管接頭進行簡化建模，設置單元屬性并進行網格劃分后得到套管接頭有限元模型及加載示意圖如圖2 所示。

圖2 特殊螺紋套管接頭有限元模型及加載示意圖

2 計算結果分析

套管上扣時，螺紋接頭產生過盈配合，隨著螺紋的不斷旋進，套管接頭的應力分布和接觸壓力的水平會不斷地變化。為了了解各載荷對螺紋接頭的使用性能的影響，筆者主要研究了套管在上扣后軸向力和內部壓力對接頭性能的影響。

2．1 套管接頭上扣后管體和接箍的應力水平分布

套管接頭采用過盈配合來模擬上扣扭矩，在螺紋處標稱過盈量為0．14 mm，密封面標稱過盈為0．321 5 mm。套管接頭在上扣后Von Mises 應力水平和分布情況如圖3 所示。

圖3 上扣完全后套管接頭的Von Mises 應力水平

由圖3 可以看出，特殊螺紋接頭上扣后，套管外螺紋和接箍內螺紋彼此之間產生擠壓作用，從而在螺紋接頭密封面和扭矩臺肩上的Von Mises 應力都較大，密封面為732 MPa 而扭矩臺肩達到824 MPa;應力沿著套管大端方向逐漸減小直到接近0;在扭矩臺肩面與主密封面交匯的地方存在應力集中，應力值已經大于材料的屈服強度758 MPa，表明在交匯區域已經產生了輕微的塑性變形。但是，由于在這一區域產生的應力集中為壓應力，并不會損壞套管接頭，接頭承載能力并沒被破壞。接頭管體的主密封面上的Von Mises 應力值都處在屈服極限以下，所以主密封面上并沒有產生塑性變形，防止了套管接頭在旋緊過程中的粘結損傷。

2．2 軸向拉力對套管螺紋接頭連接和密封性能的影響

由于套管柱受到重力的作用，螺紋接頭連接處承受軸向的拉力。靠近油井口，在套管柱最上部的套管接頭承受的軸向拉力最大，即整個套管柱的重量，增加了螺紋失效的可能性。為了降低風險，減小損失，必須研究不同的軸向拉力對特殊螺紋接頭特性影響。

2．2．1 應力分析

計算得到套管螺紋接頭在不同軸向拉伸載荷作用下的管體和接箍的應力分布云圖如圖4 所示。與偏梯形螺紋接頭不同，特殊螺紋套管通過螺紋部分的相互嚙合來抵抗軸向拉伸載荷;螺紋部分不再起密封作用，而是通過設計的密封面和扭矩臺肩的來達到密封效果。由圖4 可以看出，隨著軸向拉伸載荷的不斷增大，扭矩臺肩和主密封面的最大等效應力從456 MPa 增大到481 MPa，應力的變化很小同時應力的分布變化很小，說明軸向拉伸載荷對特殊螺紋套管接頭密封部分的應力水平和分布影響不大;管體的應力從196 MPa增大到574 MPa，靠近螺紋接頭兩端的幾個螺紋牙的應力也由196 MPa 增大到了667 MPa，表明靠近接頭兩端的幾個螺紋牙承受了大部分的軸向拉力，軸向拉伸載荷過大，兩端螺紋應力超過屈服強度，可能發生粘扣甚至失效。

2．2．2 密封性能的分析

圖4 不同軸向拉伸載荷下管體和接箍應力水平

套管接頭上扣后施加不同軸向拉力下主密封面和扭矩臺肩的的接觸壓力分布如圖5 所示。

圖5 上扣后不同軸向拉力下密封面和臺肩接觸壓力

由圖5 可知，隨著距套管端部距離的增大，密封面上的接觸壓力的變化趨勢都是先增大到最大值后迅速下降到0。軸向拉伸載荷使套管與接箍在密封部分的產生了分離的趨勢。隨著放入井下套管不斷增加，軸向拉力不斷增加，密封面和扭矩臺肩面的過盈量不斷減小，降低了它們之間的接觸壓力，同時接觸區域的面積也不斷減小。由于臺肩面的接觸壓力是軸向的，臺肩面在軸向拉力的作用下接觸壓力下降得更為明顯;當軸向拉伸載荷增加到3 000 kN 時，扭矩臺肩處就沒有接觸壓力，從而失去了輔助密封的作用。本研究在有限元模型的主密封面取8 個節點并查看它們的接觸壓力值，繪制出主密封面在不同拉伸載荷下的接觸壓力曲線示意圖如圖6 所示。隨著軸向拉力的不斷增大，特殊套管接頭主密封面的接觸壓力從上扣作用下的1 343 MPa減小到768 MPa，下降的程度比較明顯。但是軸向拉伸荷載為3 000 kN 時，密封面的接觸壓力為768 MPa，即仍然能夠有效地保證螺紋接頭不產生泄漏。

圖6 上扣+不同軸向拉力下主密封面的接觸壓力曲線示意圖

2．3 復合載荷對套管螺紋接頭性能的影響

本研究對套管接頭在上扣+軸向拉力3 000 kN+不同內壓的復合載荷工況下進行計算，得到了密封面的接觸壓力分布云圖。在主密封面上取8 個節點并查看它們的接觸壓力值后繪制出的密封面的接觸壓力曲線如圖7 所示。特殊螺紋接頭在內部壓力的作用下使得套管管體和接箍出現向外擴張的趨勢，因此隨著內部壓力不斷增加，它們之間將會越來越緊。管體內部施加20 MPa 壓力時，由結果可以看出接頭主密封面上的最大接觸壓力為877 MPa，臺肩面的為438 MPa。隨著內部壓力的不斷增大，接頭主密封面上的最大接觸壓力逐漸上升到了1 213 MPa，臺肩也上升到了539 MPa。說明在一定的范圍內，管體內壓越大，越有利于提高螺紋接頭的密封性。

圖7 復合載荷下密封面接觸壓力曲線

3 結束語

本研究選擇使用ANSYS 有限元分析軟件，對外徑為177．8 mm、壁厚為9．19 mm 的套管接頭在上扣過盈配合、軸向拉伸載荷、內部壓力載荷等復合載荷作用下的連接和密封性能進行了分析研究。通過對應力云圖和接觸壓力云圖的對比分析得到:軸向拉伸荷載對扭矩臺肩和主密封密封性能影響較大，內部壓力的增大能夠提高接頭的密封性能。該研究結果為特殊螺紋套管的設計提供了一定的參考依據。

后續研究中，筆者將對有限元模型進行參數化設計，研究各結構參數對特殊螺紋接頭性能的影響，并且對套管接頭進行優化設計以得到最優設計。

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