拉伸載荷下承載面角度對特殊螺紋接頭連接強度影響的有限元分析*

白 鶴，魯碧為，何石磊，周新義，楊曉龍

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

拉伸載荷下承載面角度對特殊螺紋接頭連接強度影響的有限元分析*

白 鶴1,2，魯碧為1,2，何石磊1,2，周新義1,2，楊曉龍1,2

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

利用有限單元法對拉伸條件下，承載面角度分別為30°，10°，3°，0°和－3°時 P110鋼φ139.7 mm×9.17 mm特殊螺紋接頭的連接強度進行了數值模擬。模擬結果顯示，當承載面角度為30°時，隨著拉伸載荷的增大，接頭失效形式表現為滑脫；承載面角度分別為10°，3°，0°和－3°時，隨拉伸載荷的增大，接頭失效形式表現為螺紋斷裂。研究結果表明，在拉伸載荷下，當螺紋承載面角度越大時，接頭滑脫趨勢越明顯；當螺紋承載面角度越小時，則接頭斷裂趨勢越明顯。

特殊螺紋接頭；承載面角度；連接強度；有限元

隨著我國石油勘探水平的不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井逐年增加，對油套管接頭的性能提出了越來越高的要求[1]。高連接強度是螺紋接頭最重要的性能指標之一。目前，油田市場廣泛使用的接頭有三種，即API圓螺紋接頭、API偏梯螺紋接頭和特殊螺紋接頭，其連接強度也各不相同。而套管接頭的連接強度與其螺紋結構（螺紋高度、承載面角度、錐度等）密切相關。特殊螺紋接頭憑借其靈活多變的螺紋形式，為設計者優化螺紋結構、提升接頭性能提供了廣闊的空間[2]。

目前，考核特殊螺紋接頭性能主要采用兩種方法，即實物試驗法和有限元分析法。實物試驗作為一種評價油套管特殊螺紋接頭綜合性能的重要手段，可以評價在模擬服役條件下接頭的使用性能，分析參數對其性能的影響，但價格昂貴，費時費力，并且難以定量分析接頭各位置的應力、應變和位移分布狀況。利用有限元軟件模擬，不僅可以定量分析接頭各位置在服役條件下應力、應變和位移等分布情況，方便技術人員對接頭結構進行優化和改進，而且還可以有效降低實物試驗頻次和研究費用[3-4]。

本研究借助ABAQUS有限元分析軟件，以P110鋼φ139.7 mm×9.17 mm規格特殊螺紋接頭為例，分析討論了拉伸載荷下承載面角度對特殊螺紋接頭連接強度的影響，為特殊螺紋接頭的設計和優化提供一些參考。

1 有限元模型建立

1.1 模型的簡化

特殊螺紋接頭目前常用的螺紋承載面角度有三種，即正角度、0°和負角度。本研究選用的特殊螺紋接頭螺紋結構如圖1所示，在接頭其他結構和分析條件設置相同的情況下，將承載面角度分別設置為 30°，10°， 3°，0°和－3°， 討論拉伸載荷下不同承載面角度對特殊螺紋接頭連接強度的影響。

圖1 特殊螺紋接頭螺紋結構示意圖

根據有限元分析軟件特點，結合該特殊螺紋接頭的實際情況，對特殊螺紋接頭的有限元模型進行以下假設和簡化[5-9]：①管體和接箍為各向同性的強化材料；②忽略螺紋升角的影響；③假設管體和接箍在變形前的幾何尺寸為理想狀態。

基于上述模型的特點及假設，拉伸載荷下特殊螺紋接頭承載面角度對特殊螺紋接頭連接強度的影響分析可按軸對稱問題處理，采用彈塑性非線性有限元方法進行分析。

1.2 參數設置

有限元模型網格劃分如圖2所示，分析采用軸對稱四節點單元，并在螺紋、密封面及臺肩處進行了網格加密，有效增加了分析結果的合理性。該材料的實測屈服強度為820 MPa，本次分析采用的軸向拉伸載荷為3 200 kN。此外，結合選用的材料特性，確定了以下材料參數：彈性模量 210 GPa，泊松比0.3[10-11]，摩擦系數 0.02（摩擦系數與螺紋脂有關，一般為0.015～0.025[12-15]）。

1.3 拉伸失效判據

圖2 特殊螺紋接頭有限元模型網格劃分

接頭在承受拉伸載荷過程中，首先會在嚙合的第一扣非完整螺紋開始出現失效(滑脫或頸縮斷裂)，隨后沿后續嚙合扣向后擴展，直至整個接頭發生失效。因此當接頭承受載荷等于材料屈服強度時，材料開始發生塑性頸縮變形，此時考核內外螺紋每一嚙合扣上的任一點隨載荷增加產生的徑向位移差值，便可以判斷接頭的失效形式。材料發生頸縮變形時，如果接頭內外螺紋每一嚙合扣上的點徑向位移差值均發生變化，說明該接頭在拉伸過程中有滑脫失效的趨勢；反之，如果接頭內外螺紋任意嚙合扣在材料發生頸縮變形時沒有徑向位移差值，說明內外螺紋沒有發生相對移動，因此在該情況下接頭在拉伸過程中有螺紋斷裂的失效趨勢。

2 有限元數值計算結果及分析

特殊螺紋接頭嚙合和取點位置如圖3所示。圖3中第一扣為管體螺紋收尾處與內螺紋相互嚙合的最后一扣非完整螺紋。第十七扣為管體上最接近臺肩且與內螺紋相互嚙合的第一扣完整螺紋。不同承載面角度的接頭在3 200 kN拉伸載荷下的內外螺紋對應的嚙合扣上的點隨載荷增加產生的徑向位移差值如圖4所示，圖4中橫坐標的載荷比例為實時載荷與最終載荷3200kN的比值。

圖3 特殊螺紋接頭嚙合和取點位置示意圖

從圖4可以看出，當接頭承載面為30°時，隨著拉伸載荷的增加，特別是在載荷比例超過0.3之后，圖4（a）中的曲線呈現明顯的下降趨勢，說明此時接頭上各個對應相互嚙合的扣之間出現了明顯的相對位移。隨著載荷的繼續增加，曲線下降趨勢逐漸顯著，特別是前三扣曲線下降速度最快，這說明在拉伸過程中，接頭失效首先從第一扣開始，然后向第十七扣方向逐漸擴展。當載荷還未達到材料屈服強度發生頸縮變形時，各相互嚙合的扣之間就已經出現了較大的相對位移，因此可以判斷在拉伸載荷作用下，30°承載面角度的接頭失效形式應為螺紋滑脫。

30°承載面特殊螺紋接頭上扣后和拉伸時螺紋部分的Mises應力云圖如圖5所示。從圖5可看出，接頭拉伸時的Mises應力還未達到屈服強度，各相互嚙合的扣之間就已經有了明顯的相對位移；最大Mises應力發生在管體的非完整扣的齒頂處，由于該處是非完整扣，齒頂處沒有平滑過渡，產生應力集中（圖5（b）中圓圈處所示），造成拉伸過程中該處斷裂。此外，API圓螺紋承載面為30°與該接頭承載面角度相同，在拉伸試驗過程中P110鋼φ139.7 mm×9.17 mm規格的API圓螺紋接頭失效形式表現為螺紋拉脫，而且拉脫后管體非完整扣處有細小的金屬絲（見圖6），說明接頭拉脫時在非完整扣的應力集中處發生斷裂，這也與該特殊螺紋接頭本次模擬結果相同。

圖4 不同承載面角度對接頭螺紋處徑向位移差值變化的影響

圖5 30°承載面特殊螺紋接頭上扣及拉伸過程螺紋處Mises應力云圖

圖6 P110鋼φ139.7 mm×9.17 mm規格API圓螺紋接頭拉伸失效實物照片

當承載面角度為10°時，隨著拉伸載荷的增加，接頭螺紋徑向位移差值曲線的趨勢與30°承載面接頭的區別較為明顯。雖然在載荷比例0.5處前三扣曲線開始有向下的趨勢，但下降幅度遠不及30°承載面的接頭，此外在載荷達到材料屈服強度時，最后三扣的曲線依然沒有下降趨勢，這說明在材料發生頸縮塑性變形時，相互嚙合的最后三扣沒有相對位移。因此在拉伸過程中P110鋼φ139.7 mm×9.17 mm規格10°承載面的特殊螺紋接頭失效形式表現為螺紋斷裂，斷裂位置應位于第三扣和第十五扣之間。

當承載面角度為3°時，隨著拉伸載荷的增加，螺紋接頭徑向位移差值曲線整體趨勢與10°承載面接頭趨勢相似，但前三扣對拉伸載荷的敏感性較10°承載面接頭不明顯，且相互嚙合的最后三扣在拉伸載荷達到屈服強度時沒有發生相對位移，說明該接頭在拉伸過程中失效形式表現為螺紋斷裂。

當承載面角度為0°和－3°時，隨拉伸載荷增加螺紋接頭徑向位移差值曲線走勢類似，但與正角度承載面的接頭曲線趨勢區別明顯。隨著拉伸載荷的增加，0°和－3°承載面接頭每一嚙合的扣都沒有明顯的向下趨勢，說明當加載至管材發生頸縮塑性變形時，接頭上相互對應嚙合的扣沒有發生相對位移，因此其失效形式應為斷裂。

－3°承載面特殊螺紋接頭上扣及拉伸過程螺紋處Mises應力云圖如圖7所示。承載面接頭上扣后和拉伸時螺紋部分的Mises應力云圖對比結果與上述結論相符。從圖4（d）和圖4（e）還可以看出，前三扣的相對位移隨著載荷的增加反而上揚，這是由于在拉伸過程中非完整扣齒頂處沒有平滑過渡，從而產生應力集中，應力集中位置發生向上變形后并產生斷裂。

圖7 －3°承載面特殊螺紋接頭上扣及拉伸過程螺紋處Mises應力云圖

不同承載面管體螺紋拉伸受力分析如圖8所示。由圖8可以得知，正角度承載面受到遠離接箍上對應嚙合扣的分力f2，而負角度承載面受到靠近接箍對應嚙合扣分力f2，因此可以判斷承載面角度越大接頭滑脫趨勢越明顯，承載面角度越小則螺紋斷裂失效趨勢越明顯。但接頭最終的失效破壞是滑脫還是斷裂，還需要用根據承載面角度結合有限元進行計算得出。

圖8 不同承載面管體螺紋拉伸受力分析圖

3 結 論

（1） 對于P110鋼 φ139.7 mm×9.17 mm特殊螺紋接頭來說，不同的螺紋承載面角度對該接頭拉伸失效形式影響較大，當接頭承載面角度為30°時，接頭失效形式表現為螺紋滑脫，當接頭承載面角度分別為 10°，3°， 0°和－3°時， 接頭失效形式則表現為螺紋斷裂。

（2）對于P110鋼 φ139.7 mm×9.17 mm 特殊螺紋接頭來說，螺紋承載面角度越大，則接頭滑脫趨勢越明顯，螺紋承載面角度越小，則接頭斷裂趨勢越明顯。

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Finite Element Analysis on the Effect of Loading Flank Angle to Premium Connection Tensile Strength

BAI He1,2，LU Biwei1,2，HE Shilei1,2，ZHOU Xinyi1,2，YANG Xiaolong1,2
（1.Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.，Baoji 721008，Shaanxi，China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China）

Under the tension condition,the tensile strength of premium connection of P110 steel φ139.7 mm×9.17 mm with 30°，10°，3°，0°and-3°loading flank angle were analyzed by using the finite element analysis（FEA）software,respectively.The result showed that the failure of premium connection with the 30°loading flank angle is jump-out with the increase of the tensile load;the failure of premium connection with 10°，3°，0°and-3°loading flank angle are all fracture.So the bigger the loading flank angle is,the more obvious the jump-out trend is;the smaller loading flank angle is,the more obvious the fracture is.

premium connection;loading flank angle;tensile strength;finite element

TE931

B

1001－3938（2015）09-0026-06

中國石油裝備制造分公司科研項目“特殊螺紋接頭油井管開發”（項目號Y-10K800001）。

白 鶴（1983—），男，陜西寶雞人，碩士，工程師，從事油套管特殊螺紋接頭開發工作。

2015-01-08

黃蔚莉