玻璃鋼油管螺紋制作及連接有限元分析研究

孫衛娟 （山東勝利職業學院教務科研處，山東 東營257097）

采用玻璃鋼油管代替普通鋼制油管用于井下采油工藝管柱，有效地解決了管桿的偏磨、腐蝕問題。但是，由于玻璃鋼油管柱在上下沖程時絲扣承受著復雜的交變載荷，現場使用過程中出現了螺紋脫扣現象。為充分發揮玻璃鋼油管在機械采油上的優勢，通過對玻璃鋼油管螺紋的連接方式、螺紋制作材料及螺紋有限元應力進行研究，為改善玻璃鋼油管螺紋連接力學性能提供有力技術支撐，在井下玻璃鋼采油管柱承受復雜交變載荷的情況下，提升玻璃鋼工藝管柱的連接可靠性。

1 陽螺紋及接箍制作工藝

井下玻璃鋼油管的螺紋連接執行API 5B《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范》，其連接方式示意圖如圖1所示。

1.1 螺紋的試驗性能分析

玻璃鋼油管接頭陽螺紋通常有先進復合材料螺紋（模塑螺紋）和高精度磨削螺紋（磨制螺紋）2種加工形式［1］。為解決玻璃鋼油管接頭的接箍螺紋和陽螺紋采用何種螺紋加工形式，特進行以下試驗。

1）材料準備 為了進行模塑螺紋和磨制螺紋的力學性能對比，準備2種試樣。試樣1：模塑陽螺紋短管（DN65－16MPa油管）、磨制管箍10組。試樣2：磨制陽螺紋短管（DN65－16MPa油管）、磨制管箍10組。

2）性能測試 ① 耐磨性試驗。試樣1和試樣2分別選取5組試樣進行試驗，陽螺紋分別編號，進行螺紋單項檢測，包括螺距、齒高和錐度的檢測。用上扣機上扣磨制管箍，卸扣，測量并記錄陽螺紋短管和管箍的螺紋參數；然后再上扣、卸扣，同樣測量記錄螺紋各個參數，反復上扣卸扣，直到測量螺紋的參數不合格為止。記錄上卸扣的次數。②水壓試驗。試樣1和試樣2分別選取5組試樣進行試驗，管箍和陽螺紋連接，按照要求進行1.5倍的額定壓力10min、2倍的額定壓力1h和1.5倍的額定壓力24h的水壓試驗［2］。

圖1 玻璃鋼油管連接示意圖

3）試驗結果 耐磨試驗結果和水壓試驗結果如表1和表2所示。由表1、表2結果可知，試樣1的耐磨性能和密封性能優于試樣2，因此通過耐磨性試驗、水壓試驗可以得出以下幾點結論：①模塑陽螺紋在上卸扣時耐磨性能要好于磨制陽螺紋，且較容易上卸扣。②磨制管箍在上卸扣時的耐磨性能要好于陽螺紋。③通過水壓試驗，采用磨制陰螺紋性能較為突出，24h穩壓最高壓力可達到24MPa。

表1 耐磨試驗結果

表2 水壓試驗結果

1.2 螺紋制作工藝

1）陽螺紋制作 粘接工藝加工，模塑制作陽螺紋，模壓成型。為提高模塑陽螺紋的粘接性能，在螺紋錐度本體上加工多圈溝槽，提高其表面粗糙度，從而提高模塑螺紋與本體的粘接力。粘結采用石墨環氧復合材料玻璃纖維等粘結劑。

2）玻璃鋼接箍 采用磨制陰螺紋制作。

2 螺紋材料的創新——碳納米管／環氧樹脂復合材料

純環氧樹脂經過固化后呈現的三維交聯網絡結構存在密度高、內部應力大、材料脆且韌性差等缺點。因此通常采用增韌劑來改善環氧樹脂的韌性以滿足實際使用要求。在力學性能方面，采用碳納米管（CNTs）摻入到環氧樹脂中以改善其力學性能。試驗研究時采用三種類型的碳納米管，主要研究了功能化的CNTs作為增強相對改善DYD－127型環氧樹脂基復合材料力學性能的影響，并且在CNTs表面接枝了一些官能團以參與到環氧樹脂的固化過程中，使得環氧樹脂在固化過程中與CNTs形成良好的界面［3］。

因此，對CNTs結構與性能的深入試驗研究，通過對其表面進行修飾，增加其分散性、化學活性，可以更好地與環氧樹脂進行復合，提高復合材料的性能，提高工業應用的經濟效益。

首先將原始的多壁碳納米管表面功能化，用濃硫酸和濃硝酸組成的混酸處理若干小時，得到了羧基化碳納米管；然后將羧基化的碳納米管和二氯亞砜回流處理，得到酰氯化的多壁碳納米管；最后將酰氯化的碳納米管和三乙烯四胺充分進行取代反應，最終得到胺基化的多壁碳納米管。通過以上處理，提高其在多種溶劑中的分散性［4］。利用三輥機將3種碳納米管按比例與環氧樹脂進行充分混合，加入固化劑后攪拌均勻，然后在設定的固化工藝下進行固化，得到所需的碳納米管環氧樹脂復合材料。

2.1 拉伸試驗

在萬能試驗機上根據國標GB／T1447－2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法對碳納米管／環氧樹脂復合材料進行拉伸性能的試驗測試，每組3個試樣，試樣形狀啞鈴型，試樣形狀尺寸如圖2所示。

2.2 摩擦磨損性能測試

根據國標GB3960－83耐磨性能試驗方法，在M－2000型摩擦磨損試驗機上測定復合材料的摩擦磨損性能，摩擦副接觸形式為環－塊接觸。試樣塊為矩形塊，具體尺寸為6mm×7mm×30mm，進行試驗前采用水磨砂紙打磨，表面粗糙度為0.1μm。試驗條件為干摩擦，研究不同載荷和不同摩擦速度對復合材料摩擦磨損性能的影響。由測得的摩擦力矩計算得到摩擦系數，用精確度為0.1mg的分析天平稱量測定試塊的磨損質量損失，并換算成磨損率。同一工況下每組試樣至少做3組試驗。

2.3 彎曲動態疲勞性能測試

按照《GB／T1449－2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》的要求制作靜態彎曲試樣，試樣的形狀和尺寸如圖3所示。其中，試件厚度h為1.5～3mm，試件寬度b為15±0.5mm，試件長度L至少是20h。

圖2 拉伸性能測試試樣形狀和尺寸

由于進行三點彎曲疲勞測試沒有相關的國家標準可循，因此制作三點彎曲疲勞測試所需的試樣采取與靜態彎曲測試相同。將試樣對稱放置在兩支座上，測試時以2mm／min的速度進行加載；對試件進行連續均勻的加載直至試樣完全破壞，記錄彎曲模量和彎曲強度。

計算復合材料的極限振幅f可根據試樣靜態彎曲性能測試結果得出：

圖3 靜態彎曲性能測試試樣形狀和尺寸

式中，p為最大載荷，N；l為彎曲測試跨度，mm；E為試樣彈性模量，MPa；b、h分別為試樣寬度和厚度，mm。

由于沒有三點彎曲疲勞測試相應的國家標準，該試驗規定試件的疲勞振幅為最大極限振幅的30%、40%和50%，振動頻率為15Hz。將試件置于三點彎曲疲勞試驗機上，使試件上下表面緊貼振動的滾輪。在相應疲勞振幅條件下進行彎曲疲勞測試，振動一定次數后按GB／T1449－2005測試該試件的彎曲模量，試件彎曲疲勞n次后的彎曲模量為En。當En為初始彎曲模量E0的85%時，彎曲動態疲勞測試方可停止。

表3 碳納米管－環氧樹脂復合材料性能測試對比

通過表3試驗數據得到，環氧樹脂中加入0.5%的表面功能化碳納米管，其機械性能、耐磨性、抗疲勞性能能夠提高70%以上。

由于玻璃鋼油管柱應力薄弱部分主要在螺紋處，玻璃鋼油管本體在工作過程中基本能滿足使用的要求，且由于碳納米管價格的昂貴，為了節省油管的制作成本，采用在本體螺紋膠泥上使用碳納米管／環氧樹脂復合材料以提高模塑螺紋膠泥的強度。

3 螺紋連接有限元分析

螺紋的機械損傷主要有剪切、彎曲和壓碎等幾種，其破裂應力與負載之間存在以下關系：

式中，p為破壞負荷，N；τ剪為螺紋牙承受的剪切應力，MPa；d0、d1為螺紋的內徑和外徑，mm；h為螺紋的有效高度，mm；β為與螺紋牙有關的形狀系數，1；σ彎、σ壓為螺紋牙承受的壓縮和彎曲應力，MPa；z為螺紋牙有效圈數；s為螺距，mm。

由于玻璃鋼材料結構的特性，其層間剪切強度遠小于其彎曲強度和壓縮強度，因此玻璃鋼螺紋的破壞形式主要為螺紋牙的剪切破壞［5］。由式（2）可知，螺紋承受的剪切應力與螺紋牙的形狀系數 成反比。

常見的3種螺紋牙型（梯形、矩形和三角形）中，梯形螺紋的形狀系數大約為0.62～0.68，矩形螺紋的形狀系數為0.5，而三角形螺紋的形狀系數接近于1。因此，在其他參數如螺紋尺寸和載荷都相等的情況下，三角形螺紋所承受的剪切應力最小，斷裂負荷也比梯形和矩形螺紋高。在選擇螺紋牙型時，不宜采用梯形螺紋，尤其不宜選用矩形螺紋。

按照油管螺紋標準建立管螺紋的標準模型，分別對1800m、1600m和1500m這3種油井的玻璃鋼管柱進行了分析，接箍分別采用了鋼制接箍和玻璃鋼接箍，且分析圓螺紋和梯形螺紋的受力情況。

3.1 圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接

首先進行圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接試驗，在1800m玻璃鋼油管柱螺紋接箍處的變形圖和應力圖如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，管柱在1800m時，圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接，接觸應力最大為77.162MPa，在玻璃鋼的許用應力范圍之內，螺紋總變形量為1.01mm。

圖4 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接受力變形

圖5 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接應力

3.2 圓螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接

采用鋼制接箍與玻璃鋼油管公扣連接，1800m玻璃鋼管柱螺紋接箍處的變形圖和應力圖如圖6、圖7所示。由圖6和圖7可知，圓螺紋玻璃鋼油管與鋼接箍連接，接觸應力最大為98.558MPa，螺紋總變形量為0.85mm，比圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接的螺紋總變形量小0.16mm。因為鋼的彈性模量為玻璃鋼彈性模量的10～12倍，所以螺紋總變形量小。

3.3 梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接

梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接，變形圖和應力圖如圖8、圖9所示。由圖8和圖9可知，最大應力發生在公扣第1個螺紋連接處，最大應力值為99.168MPa。梯形螺紋的最大應力比圓螺紋的應力大22.006MPa。總變形量為1.78mm，較圓螺紋變形大0.77mm。在同樣工況下，梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接螺紋最大接觸應力及螺紋總變形量均大于圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接。

圖6 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接受力變形

圖7 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接螺紋處應力

圖8 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接受力變形

圖9 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接螺紋處應力

3.4 梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接

梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接，變形圖和應力圖如圖10、圖11所示。由圖10和圖11可知，由變形圖、應力圖知，采用梯形螺紋連接的玻璃鋼油管與鋼接箍，螺紋總變形量為0.63mm，小于梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接總變形量1.78mm；最大接觸應力為114.323MPa，大于梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接的最大應力99.168MPa。

同樣方法，采用圓螺紋玻璃鋼油管分別與玻璃鋼接箍、鋼制接箍連接，采用梯形螺紋玻璃鋼油管分別與玻璃鋼接箍連接、鋼制接箍連接，對1600m和1500m深的玻璃鋼采油管柱進行了分析，綜合分析結果如表4。

由表4可知：隨著玻璃鋼管柱下入深度增加，螺紋受到的最大應力增加。在相同深度下，圓螺紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應力小于圓螺紋鋼接箍連接，梯形紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應力小于梯形螺紋鋼接箍連接，圓螺紋鋼接箍連接最大接觸應力小于梯形螺紋鋼接箍連接，圓螺紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應力小于梯形螺紋玻璃鋼接箍連接。所以圓螺紋接箍連接受力性能優于梯形螺紋接箍連接，玻璃鋼接箍連接受力性能優于鋼制接箍連接。而圓螺紋玻璃鋼接箍連接受力性能是四類連接情況下最好的，如1800m時圓螺紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應力為77.162MPa，而圓螺紋鋼接箍連接、梯形螺紋玻璃鋼接箍連接、梯形螺紋鋼接箍連接最大接觸應力分別為98.558、99.168、114.323MPa。

表4 螺紋接箍有限元分析匯總

圖10 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接受力變形

圖11 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接螺紋處受力

4 結論

通過對玻璃鋼油管螺紋連接方式、螺紋制作材料試驗性能分析及螺紋有限元應力分析，得出如下結論：

1）采用模塑粘接制作陽螺紋、采用磨制螺紋制作接箍能提高螺紋連接的耐磨和密封性能。

2）制作螺紋的環氧樹脂中加入0.5%的表面功能化碳納米管，其機械性能、耐磨性、抗疲勞性能能夠提高70%以上。

3）采用圓螺紋連接時受力性能優于采用梯形螺紋時的受力，采用玻璃鋼接箍與玻璃鋼油管進行配對時螺紋應力小于采用鋼制接箍與玻璃鋼油管配對時的螺紋應力，推薦采用圓螺紋玻璃鋼接箍連接方式。

［1］呂貴平 .玻璃鋼螺紋的制造與強度 ［A］.第十五屆玻璃鋼／復合材料學術年會論文集 ［C］.北京：中國硅酸鹽學會玻璃鋼學會，2003：283～286.

［2］郭生武 .油田用玻璃鋼管 ［M］.北京：石油工業出版社，2004.

［3］邱軍，陳典兵 .碳納米管及碳纖維增強環氧樹脂復合材料研究進展 ［J］.高分子通報，2012（2）：9～15.

［4］沈有斌，劉曉國 .水性碳納米管接枝改性環氧樹脂的合成 ［J］.化工進展，2012，31（4）：857～860，865.

［5］馬來增，張辛，徐興平 .玻璃鋼油管失效分析及對策 ［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：61～64.