特殊螺紋接頭密封性能與結構分析

辛紀元，吳廣瀚，鄒天下，朱世忠，李大永，3（．上海交通大學　機械與動力工程學院，上海0040；．南通永大管業股份有限公司，江蘇　南通6600；3．上海交通大學　機械系統與振動國家重點實驗室，上海0040）

特殊螺紋接頭密封性能與結構分析

辛紀元1，吳廣瀚1，鄒天下1，朱世忠2，李大永1，3
（1．上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240；2．南通永大管業股份有限公司，江蘇南通226600；3．上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240）①

油氣井環境的日益苛刻對油套管的密封性能和連接強度提出了更高的要求。采用有限元方法分析了特殊螺紋接頭的密封性能及結構特點，重點研究了現有結構在上扣轉矩、軸向拉伸及內部內壓作用下接頭的應力分布和密封效果，獲得了在各種工況下的失效載荷，并在此基礎上，對此種特殊螺紋接頭主密封結構、螺紋牙型進行設計、對比與分析。分析結果表明，在主密封結構的設計上需要綜合考慮接觸應力及接觸面積等因素才能得到較好的密封效果；在螺紋牙型設計上，需要考慮螺紋加工對成本的影響，使用加工刀具及量具比較成熟的偏梯形螺紋是較好的選擇。

特殊螺紋接頭；密封性能；結構；有限元

油套管是石油鉆采作業中必不可少的部分，其質量直接影響到鉆井的成敗和油氣井的使用壽命。其中的螺紋接頭是最薄弱的部分，資料表明，油套管失效事故約64%發生在螺紋連接部位［1］。而隨著全球大力開發深井、超深井、高氣壓井、稠油熱采井、定向井、水平井、重腐蝕井等環境更加苛刻的油氣井［2］，普通A PI推出的接頭在密封性能和連接強度等方面已經不能滿足現在工程技術的要求，為此國外先進的套管生產廠成功開發出多種特殊螺紋接頭。特殊螺紋接頭的研究和開發，國外從四十年代后期起步，六十年代投入使用，八十年代大量應用，目前約有100多種扣型，并且每年都有一些新型螺紋接頭問世［3-7］。

我國雖然是世界上消耗油套管最多的國家之一，但是特殊螺紋接頭的研究與開發起步較晚。特殊螺紋接頭的研發制造主要集中在上海寶山鋼鐵股份有限公司，天津鋼管集團有限公司以及無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司［8-9］。隨著我國近幾年對特殊螺紋接頭的研發越來越重視，其他相關的油套管生產廠企業紛紛開始著力于特殊螺紋接頭的研究開發。本文以一種新型特殊螺紋接頭為研究對象，分析特殊螺紋接頭的密封機理及各種工況下的失效載荷，指出存在的不足，并進行相應的改進。

1 特殊螺紋接頭的密封機理

在A PI螺紋嚙合后，會存在一條螺旋狀的泄漏通道，泄漏通道的存在限制了A PI螺紋的密封性能。而在特殊螺紋接頭的設計中，不再依靠螺紋配合來實現密封功能，而是專門設計了金屬／金屬密封和輔助密封結構。在金屬／金屬密封面完全光滑的條件下，防止內部流體泄漏的條件為密封面上的接觸壓力大于內部流體的壓力，而在實際金屬加工影響下，密封面難以保證是完全光滑的，所以即便是過盈配合后密封面間仍會存在微小的間隙［10］。

根據流體力學，流體通過間隙時所產生的局部阻力取決于泄漏路徑長度和間隙截面積，當接觸面的接觸應力越大時，間隙的截面積就越小，可表示為

該阻力相當于沿泄漏路徑l累積的接觸應力。因此，該接觸面的臨界密封壓力pcr可以表示為

從式（2）可以得出，接觸面的臨界密封壓力正比于接觸壓力和泄漏路徑長度。所以，為提高密封性能，應盡量滿足以下2個條件：

1） 接觸應力盡可能的大，使泄漏路徑的面積較小。

2） 接觸面積盡可能的大。使泄漏路徑的長度較長。

2 特殊螺紋接頭建模與分析

2．1 幾何模型

?88．90mm×9．53mm P110特殊螺紋接頭結構如圖1所示。承載面角度為－3°，導向面角度為10°，螺紋嚙合段的直徑錐度為1∶16，密封段的錐度為1∶2。由于螺紋接頭上扣后承受的內壓和軸向載荷都是軸對稱的，而且接頭螺紋升角很小，因此本文采用軸對稱模型。為保證計算精度，模型中管體長度3倍于管端至螺紋消失點的長度。網格采用的單元類型為四邊形四節點軸對稱實體等參單元，在螺紋牙及密封面處局部網格細化，如圖2所示。

圖1 特殊螺紋接頭

圖2 仿真模型的邊界條件及局部網格細化

2．2 邊界條件及材料屬性

根據螺紋接頭整體的對稱性，在接箍對陣中面施加軸向位移約束。軸向拉力和內壓載荷的施加如圖2所示。由于螺紋接頭承受的彎曲載荷可以用軸向載荷來等效，所以不單獨考慮彎曲載荷，主要分析以下幾種工況：上扣、內壓至失效、拉伸至失效、高內壓拉伸至失效。模型中螺紋之間的摩擦采用庫倫摩擦，摩擦因數取0．02。模型的材料力學性能如下：E ＝2．01×105M Pa，μ＝0．3，σs＝758 M Pa，σb＝862 M Pa，延伸率δ＝20%。

2．3 結果分析

通過有限元仿真獲得此種特殊螺紋接頭在幾種工況下的失效載荷，為充分發揮接頭的連接性能，采用塑性應變達到5%作為仿真失效判據。各種工況下的仿真結果及分析如下：

圖3為上扣后接頭Mises應力云圖及主密封面接觸應力。通過圖3可以看出，上扣后螺紋接頭較大Mises應力出現在主密封結構處，其Mises應力未超過材料的屈服強度，結合接觸應力分布圖，主密封面上的最大接觸應力1 500 M Pa，說明螺紋接頭的過盈量設計是合理的，在保證接頭變形較小的條件下達到較大的接觸應力，但是在主密封面上的接觸應力分布并不均勻，較大的接觸應力分布在密封面的左端，說明錐面／錐面密封結構是有一定缺陷的。

圖3 上扣后接頭　Mises應力云圖及主密封面接觸應力

圖4a為拉伸載荷800 k N、1 000 k N、1 500 k N、1 700 k N下承載面的平均接觸應力分布規律，從800 k N～1 500 k N承載面的接觸應力是升高的，而從1 500 k N增大到1 700 k N反而下降，這是因為拉伸載荷過大導致管體和螺紋牙均發生了較大的變形，接頭出現松弛趨勢。當載荷繼續增大到1 900 k N，管體位置首先發生失效，如圖4b所示，圖中淺色位置是塑性應變超過5%的區域。另外，在拉伸載荷增大的過程中，密封面的接觸應力也是在逐漸減小的，當載荷為1 700 k N時，密封面的接觸應力為900 M Pa，較上扣時下降了600 M Pa，但是仍舊集中在密封面端部。綜上，當拉伸載荷達到1 700 k N，此種特殊螺紋接頭的應力分布趨勢已經發生變化，為確保安全使用，拉伸失效載荷定為1 700 k N。

圖4 上扣＋拉伸載荷仿真分析結果

圖5為上扣＋內壓至失效時應力云圖。從圖5可以看出，內壓單獨作用下當載荷達到170M Pa時，管體位置已經發生變形。油井管的工作長度可達幾千米，當管體發生變形勢必會對整個油井管的使用安全產生影響。所以，通過仿真得到此特殊螺紋接頭的內壓失效載荷為170 M Pa。

圖5 上扣＋內壓至失效時應力云圖

圖6為上扣＋高內壓（90 M Pa）＋拉伸載荷仿真分析結果。通過圖6a可以看出，此種工況下的拉伸失效載荷為1 500 M Pa，原因與拉伸載荷單獨作用相同，接頭承載面的接觸應力分布趨勢發生了變化。當拉伸載荷繼續增大到1 700 k N時，如圖6b，失效位置發生在B端外螺紋的根部位置。同樣考慮到安全裕量，此種工況下的失效載荷為1 500 k N。

圖6 上扣＋高內壓＋拉伸載荷仿真分析結果

3 螺紋主密封面及牙型的結構性能對比

3．1 螺紋主密封結構選擇與性能對比

以上仿真分析表明，雖然此種特殊螺紋接頭密封面接觸應力能夠達到1 500 M Pa，但是應力較大區域集中在密封面端部位置，有潛在隱患。特殊螺紋接頭的密封性能主要取決于主密封結構的設計，目前主密封結構主要有以下幾類：錐面／錐面、錐面／球面、柱面／球面，如圖7。不同的主密封結構決定了接觸面上壓力分布的不同，也就直接決定了其密封性能。根據前面論述的接頭密封機理，主密封面上的接觸壓力應盡可能高，接觸面盡可能大。

圖7 主密封結構類型

采用有限元方法，對特殊螺紋接頭主密封面在不同結構下的密封性能進行對比分析。在上扣轉矩及上扣＋拉伸（1 200 k N）2種工況作用下，3種不同密封結構的接觸壓力沿錐度方向的分布情況如圖8所示。

圖8 主密封面上接觸壓力分布

從圖8比較可以得出：對于接觸面較大的錐面／錐面密封結構，接觸應力沿錐度方向逐漸減小，最大接觸應力達到1500 M Pa；錐面／球面、柱面／球面接觸面較小，但在相同過盈量的條件下，接觸應力的峰值大于錐面／錐面密封結構。在上扣＋拉伸載荷作用下，3種結構的接觸應力出現不同程度的下降，柱面／球面的變化量最小，而錐面／球面的峰值向左發生偏移，可見拉伸載荷對錐面／球面的影響最大。

另外，考慮到錐面／錐面這種結構在加工時對2個密封面的錐度要求高，如果錐度不匹配會使接觸面面積大大減小，進而降低了密封效果；而對錐面／球面，柱面／球面上扣后密封面過盈量的設計，有著比較高的要求。3種不同的密封結構各有優勢，因此在選擇時需要綜合考慮接觸壓力、接觸面積，才能得到良好的密封效果。

3．2 螺紋承載面傾斜角度對比與分析

螺紋牙型方面，A PI圓螺紋的承載面為60°，當承受拉伸載荷時，根據受力分析可知，將產生較大的徑向分力，該分力使管體收縮，接箍脹大，從而導致接頭滑脫失效。對于A PI偏梯形螺紋，承載面角度為3°，在拉伸載荷下徑向分力依舊存在，但該力不會導致接頭脫落，失效位置一般發生在管體。本文研究的特殊螺紋牙型采用的是負角鉤式螺紋，與偏梯形螺紋在上扣＋內壓＋拉伸載荷作用下的對比如下。

圖9表明在上扣＋內壓（90 M Pa）＋拉伸（1 200 k N）工況下2種接頭應力分布基本形同。同樣的，比較在1 300 k N、1 400 k N的拉伸載荷下，接頭整體受力分布也相差不大，當拉伸載荷達到1 500 k N時，2種接頭的失效位置均首先發生在管體處。

圖9 2種不同牙型在同種工況下的應力云圖

圖10為2種接頭在1 200 k N下承載面平均接觸應力沿錐度方向上的分布，可以看出，2種牙型承載面的平均接觸應力分布沿錐度方向分布規律也比較類似，都能比較好地發揮出每個螺紋牙的承載作用。但是考慮到負角的鉤式螺紋難于加工，而A PI偏梯形螺紋用于加工的刀具及量具比較成熟，可有效地節約成本。

圖10 2種牙型承載面平均接觸應力沿錐度方向上的分布

4 結論

通過有限元仿真，本文所研究的特殊螺紋接頭的設計能夠滿足多種工況的需求，在上扣、拉伸等作用下失效位置均沒有發生在螺紋連接部分。主密封面選擇上，錐面／錐面、錐面／球面、柱面／球面3種密封結構各有優勢，選擇時應綜合考慮接觸應力和接觸面積，才能起到良好的密封效果。螺紋牙型方面，采用負角的鉤式螺紋設計雖然在連接強度上能夠滿足條件，但難于加工，需要重新設計刀具及量具，成本較高，在設計時應綜合考慮。

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Anaiysis on Seai Property and Structurai Features of Premium Threaded Casing Connections

XIN Jiyuan1，W U G uanghan1，Z O U Tianxia1，Z H U Shizhong2，LI Dayong1，3
（1．School of M echanical Engineering，Shanghai Jiao Tong Universitu，Shanghai200240，China；2．N antong Yongda Pipe Industru Co．，Ltd．，N antong226600，China；3．State Keu Laboratoru of M echanical Sustem and Vibration，Shanghai Jiao Tong Universitu，Shanghai200240，China）

Considering increasing strict environ ments oil and gas wells face，the requirements for seal property and joint strength of oil casing tubes beco me higher．Seal property and structural features of a kind of premiu m threaded casing connection are studied with the finite element meth-od．The stress distribution and seal capability under conditions of make-up，internal pressures and axial tensile loads are analyzed，and failure loads are presented．O n this basis，the main structures of this connection，including main seal structure and thread form，are redesigned，then co m parison and analysis are presented．T he F E A results indicate that in terms of main seal structure design，contact stress and contact area should be co m prehensively considered；in terms of thread form，buttress thread with mature machining tools and measuring tools is reco m mended．

premiu m connection；seal property；structural features；finite element method

T E931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．007

1001-3482（2015）06-0029-05

①2014-12-22

辛紀元（1989-），男，山東日照人，碩士研究生，主要從事金屬塑性成形的研究，E-mail：winterstar＠sjtu．edu．cn。