基于ABAQUS的不同上扣扭矩下特殊螺紋接頭應(yīng)力模擬

王蕾琦 竇益華 曹銀萍

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065；2.中石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000）

復雜工作環(huán)境中油管接頭易發(fā)生泄漏、脫扣、破壞等形式的失效，影響其密封性能及連接性能。隨著石油勘探技術(shù)不斷提高和大量高溫高壓深井的開發(fā)，井下管柱服役環(huán)境不斷惡化，對接頭的連接性能提出了更高的要求［1-3］。為保證接頭的密封性能，廠家會推薦一定的上扣扭矩范圍。然而在不同的上扣扭矩范圍內(nèi)，管體與接頭的應(yīng)力相差較大［4-5］。本文借助ABAQUS有限元軟件建立考慮螺紋升角的特殊螺紋接頭的三維模型，考察廠家推薦的最小、最佳、最大上扣扭矩下特殊螺紋的最大等效應(yīng)力，以保證管體與接頭具有足夠的等效應(yīng)力，確保連接性能。

1 特殊螺紋接頭三維有限元模型

通過SolidWorks軟件建立88.9mm×6.45mm P110VAM TOP的特殊螺紋油管接頭的三維模型。其中VAM TOP接頭螺紋錐度為1∶16，承載面角為3°，導向面角為10°，內(nèi)外螺距均為5牙/英寸，密封結(jié)構(gòu)為1∶2錐度的錐面對錐面密封。通過ABAQUS軟件在油管處施加扭矩［6］，模擬接頭上扣的過程，分析上扣過程中接頭的應(yīng)力變化。接頭三維模型及有限元網(wǎng)格模型如圖1、2所示，為了保證計算結(jié)果的精確度，接頭與接箍均采用了分塊網(wǎng)格劃分，并在密封與螺紋處細化網(wǎng)格；整個模型選用C3D8R單元，該單元為8節(jié)點三維實體單元，適用于模型扭曲方面的計算［6］。

圖1 VAM TOP接頭三維模型

圖2 VAM TOP接頭三維有限元網(wǎng)格劃分圖

2 最小上扣扭矩下接頭等效應(yīng)力有限元分析

最小扭矩完全擰緊時嚙合螺紋等效應(yīng)力云圖如圖3所示，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近密封面端第一圈螺紋處，為284MPa。各圈螺紋處應(yīng)力值隨遠離密封面端方向逐漸減小，除靠近密封面端第一圈螺紋處應(yīng)力值較大外，其余各圈螺紋處應(yīng)力值較小且分布均勻，第一圈螺紋有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，但最大等效應(yīng)力值遠小于材料屈服強度。

圖3 最小扭矩完全擰緊時接頭螺紋等效應(yīng)力云圖

3 最佳上扣扭矩下接頭等效應(yīng)力有限元分析

圖4為模擬最佳扭矩上扣過程中，加載前（未接觸）、密封面接觸、扭矩臺肩接觸、加載完畢四種狀態(tài)時，接頭的等效應(yīng)力云圖。從圖中4種狀態(tài)可看出，隨著接頭的逐漸擰入，接頭整體應(yīng)力增大。在密封面間發(fā)生接觸時，接頭密封面處就出現(xiàn)應(yīng)力集中，其最大等效應(yīng)力為180MPa。臺肩部位接觸時，密封面最大等效應(yīng)力為665MPa；完全擰緊時密封面最大等效應(yīng)力為765MPa。

圖4 上扣過程接頭等效應(yīng)力變化圖

4 最大上扣扭矩下接頭等效應(yīng)力有限元分析

圖5為最大上扣扭矩完全擰緊時螺紋等效應(yīng)力云圖，由圖可知，最大等效應(yīng)力為289MPa出現(xiàn)在管體小端第一螺紋處，靠近小端前部數(shù)圈螺紋的等效應(yīng)力較大，且分布不均勻，靠近大端的數(shù)圈螺紋等效應(yīng)力較小，并且分布較均勻。以上分布趨勢表明，接頭因扭矩產(chǎn)生的軸向力主要作用在接頭小端處的螺紋。螺紋處最大等效應(yīng)力小于材料的屈服極限，故以最大上扣扭矩上扣時接頭不會發(fā)生粘扣。

圖5 最大扭矩擰緊時接頭螺紋等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

針對上扣扭矩控制不當而引起的特殊螺紋油管接頭失效的問題，本文通過建立三維有限元模型，在油管處直接施加扭矩以模擬上扣過程，實現(xiàn)了不同上扣過程的接頭應(yīng)力分析，分析表明。

5.1 三種扭矩作用下，嚙合螺紋處雖有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最大等效應(yīng)力遠小于材料屈服強度。

5.2 相較于最小、最大扭矩，最佳扭矩擰緊狀態(tài)下密封面、臺肩、螺紋處的等效應(yīng)力大小適中，這樣很好地避免了應(yīng)力過大而引起的塑性變形。

5.3 最佳扭矩擰緊狀態(tài)下該型特殊螺紋油管接頭具有足夠大的連接強度。

［1］竇益華，張福祥.高溫高壓深井試油井下管柱力學分析及其應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2007（5）：17-20，26，164.

［2］李勇，廖銳全，張慢來，等.特殊扣油管接頭的應(yīng)力及密封特性分析［J］.石油機械，2011，39（4）：35-37.

［3］于洋.特殊螺紋接頭選用技術(shù)研究［D］.西安石油大學，2012.

［4］竇益華，于洋，曹銀萍，等.動載作用下特殊螺紋油管接頭密封性對比分析［J］.石油機械，2014，42（2）：63-72.

［5］曹銀萍，張福祥，楊向同，等.不同外載作用下特殊螺紋油管接頭應(yīng)力有限元分析［J］.制造業(yè)自動化，2012，34（7）：95-97.

［6］馬曉峰.ABAQUS有限元分析從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2013：156-197.