過扭與欠扭工況下特殊螺紋油管接頭三維有限元分析

竇益華，馬　亮，李明飛，于　洋

(西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)*

?

過扭與欠扭工況下特殊螺紋油管接頭三維有限元分析

竇益華，馬亮，李明飛，于洋

(西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)*

摘要：考慮螺旋升角，采用彈塑性接觸有限元法，應用ABAQUS有限元分析軟件建立某特殊螺紋油管接頭三維有限元模型；考慮欠扭矩、最小扭矩、最佳扭矩、最大扭矩、過扭矩5種不同上扣扭矩，分析了特殊螺紋油管接頭的接觸應力及Von Mises應力。結果表明：欠扭矩上扣后，密封面接觸應力大于管體抗內壓強度，能夠實現密封，但臺肩的輔助密封喪失；過扭矩上扣后，臺肩和密封面處的接觸應力均大于管體抗內壓強度，能夠實現密封；過、欠扭矩上扣后，分別承受軸向拉伸、壓縮載荷與內壓作用時，密封面接觸應力都大于管體抗內壓強度，但臺肩的輔助密封都已經喪失；當扭矩從最小扭矩逐漸增大時，密封面接觸應力隨著臺肩接觸應力的增大而逐漸減小。

關鍵詞：特殊螺紋油管接頭；上扣扭矩；有限元分析；密封；接觸應力

油井管通過螺紋連接形成數千米的一套密封管柱。據API失效調查顯示，套管柱失效86%、油管柱失效55%都發生在螺紋連接處。由此可見，螺紋連接部位是整套管柱最薄弱的環節。油管下井過程中最重要的工序就是螺紋上扣連接。規范的上扣連接才能保證接頭良好的密封性和連接強度。API標準螺紋用扭矩-位置法來保障螺紋的正確連接，即用合適的扭矩將油管上到接箍規定位置才符合螺紋連接要求[1-3]。但是，此方法對于特殊螺紋油管接頭并不適用。特殊螺紋油管接頭上扣扭矩由螺紋扭矩、臺肩扭矩、密封面扭矩三部分共同組成。過大的扭矩可能導致螺紋、臺肩或者密封面處發生嚴重塑性變形、粘扣等情況，進而影響接頭密封性能；過小的扭矩會導致密封面金屬與金屬之間的過盈量不足，接觸壓力過小達不到密封效果。以往研究中大多采用的是二維軸對稱接頭模型，忽略了螺紋升角，無法準確模擬上扣過程[4-5]。本文應用ABAQUS有限元分析軟件建立某特殊螺紋油管接頭三維有限元模型；考慮欠扭矩、最小扭矩、最佳扭矩、最大扭矩、過扭矩5種不同上扣扭矩，分析了特殊螺紋油管接頭的接觸應力及Von Mises應力。

1特殊螺紋油管接頭有限元模型建立

特殊螺紋油管接頭下井時正確的上扣扭矩擰緊時，接頭能夠在井下長期承受拉伸、壓縮、彎曲、內外壓、高溫等復雜工況。運用三維設計軟件 Solidworks建立88.9 mm×6.45 mm P110鋼級某特殊螺紋油管接頭模型如圖1。特殊螺紋的牙型為偏梯形螺紋牙型，承載面角度3°，導向面角度10°，螺紋錐度1∶16，每英寸為5牙。密封面錐度為1∶2，臺肩為15°。臺肩起輔助密封作用，而且增加了接頭抗過扭矩能力、對螺紋和密封面的過盈量也起到重要作用。

圖1　接頭三維模型

接頭模型采用Hypermesh軟件劃分網格，網格類型為八節點、六面體單元。節點數為71 188，單元數為47 806，如圖2所示。將畫好的模型導入軟件ABAQUSRU軟件中進行有限元分析。接頭的連接強度為1 268 kN，材料屈服強度為758 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，摩擦因數為0.05。

圖2　接頭網格劃分

本文采用彈塑性接觸有限元法，對特殊螺紋油管接頭在5種上扣扭矩作用下的密封性做詳細分析。為保證接頭有足夠的連接強度，當某一處發生塑性變形時，必須滿足一定的屈服準則[6]。當在外載作用下，最大等效應力大于油管接頭材料的屈服強度時，將發生塑性變形。繼續加大載荷，塑性變形部位將增大。油管鋼材彈塑性屈服依據為Von Mises屈服準則，即第四強度理論：

式中：σi為VonMises等效應力，σ1、σ2、σ3、分別為第1、2、3主應力。

2特殊螺紋油管接頭常規扭矩分析

常規上扣扭矩即為推薦的最大、最佳、最小三種扭矩。本文所采用的特殊螺紋油管接頭最大扭矩4 864N·m，最佳扭矩3 891N·m，最小扭矩2 918N·m。 圖3為特殊螺紋油管接頭三種不同上扣扭矩下接頭等效應力云圖。從圖3可得，接頭擰緊后，隨著上扣扭矩增大，油管與接箍的等效應力平緩遞增。油管臺肩和密封面處應力值較大，可以保證良好的密封性。

圖3　常規上扣扭矩下接頭等效應力云圖

如圖4所示，最小上扣扭矩下接頭螺紋處最小等效應力為29.75MPa，最大的等效應力為283.3MPa，最大等效應力小于材料屈服強度758MPa，未發生塑性變形；密封面處的最大接觸壓力為456.1MPa，臺肩處最小接觸壓力為111.1MPa，均大于API標準得出的管體抗內壓強度[7]。最小扭矩上扣后，接頭具有良好的密封性。同理，可得最佳扭矩和最大扭矩上扣后都有良好的密封性。

圖4　最小上扣扭矩下螺紋、密封面和臺肩處應力云圖

3欠、過扭矩分析

在油田現場上扣時，由于環境、工人操作等不穩定因素的影響，可能發生上扣扭矩過大或者過小的偏差情況。本文則把小于最小上扣扭矩20%的扭矩定義為欠扭矩(2 335N·m)；把大于最大上扣扭矩20%的扭矩定義為過扭矩(5 837N·m)。所以分析過、欠扭矩上扣作用下特殊螺紋油管接頭密封性能，對現場上扣操作具有一定的參考價值。

3.1欠扭矩上扣

如圖5所示，欠扭矩上扣后，接頭最大的等效應力為698.1MPa，小于材料的屈服強度758MPa，油管和接箍均未發生塑性變形。臺肩處最大接觸應力為151.3MPa，最小接觸應力已經為零，則臺肩輔助密封喪失。密封面處大接觸應力為245.0MPa，最小接觸應力為146.9MPa，大于管體抗內壓強度，可以實現密封。

圖5　欠扭矩下臺肩、密封面應力云圖

3.2過扭矩上扣

如圖6所示，過扭矩下接頭的最大等效應力為768MPa，大于材料的屈服強度758MPa，發生輕微塑性變形。此時，螺紋最大等效應力出現在第一牙位置，相比常規上扣扭矩時螺紋的等效應力有一定增大。臺肩和密封面處的最大接觸應力為372.4MPa，最小接觸應力為298.1MPa，都大于管體抗內壓強度，能夠實現密封。

圖6　過扭矩下螺紋、臺肩、密封面應力云圖

4五種上扣扭矩數據分析

圖7為5種扭矩上扣后接頭密封面、臺肩和螺紋處應力變化曲線。從曲線變化可以看出：臺肩處的接觸應力隨著扭矩的增大而平緩增大，當扭矩達到最小上扣扭矩時，密封面接觸應力隨著扭矩臺肩接觸應力的增大而呈現出逐漸減小的趨勢。這是因為臺肩結構具有抗過扭的作用，能夠承受較大的軸向壓力，對主密封面有保護作用。螺紋處的等效應力也在達到最小扭矩后也呈現出線性增長趨勢。說明上扣扭矩到達最小上扣扭矩后，接頭的密封性能隨著扭矩增大而平穩變化，且扭矩越大，密封面和臺肩處的接觸應力越接近。

圖7　5種上扣扭矩下密封面、臺肩和螺紋應力變化曲線

5軸向力+內壓+過、欠扭矩分析

由管柱力學分析得出，油管接頭在井下受力復雜，井口處接頭受軸向拉伸載荷，井底處接頭受軸向壓縮載荷的特點[7]。井口處接頭受軸向拉伸載荷增大時，油管和接箍會產生相對位移，臺肩和密封面的接觸應力會降低可能導致泄露；井底處的油管接頭受到軸向壓縮載荷增大時，臺肩和密封面處過盈量變大，可能發生塑性變形導致密封失效[8-9]。

5.1軸向拉力+過扭矩+內壓

過扭矩擰緊狀態下，對井口處接頭施加1 000kN的軸向拉伸載荷和90MPa的內壓。特殊螺紋油管接頭應力如圖8所示，接頭最大等效應力為807.9MPa，出現在接箍的表面靠近螺紋第二牙的位置，已經超過材料屈服強度758MPa，發生了塑性變形。

圖8　接頭軸向拉伸載荷+90 MPa內壓等效應力云圖

在軸向拉伸載荷作用下，臺肩和密封面處的接觸壓力的變化決定著接頭的密封性能，如圖9所示，可以看出臺肩處的最小接觸應力已經為零，臺肩輔助密封效果已經失效。但是，密封面處最小的接觸應力為107.6MPa，大于管體抗內壓強度，能夠保證密封。

圖9　臺肩和密封面接觸應力

5.2軸向壓力+欠扭矩+內壓

欠扭矩擰緊狀態下，對井底處接頭施加600kN的軸向壓縮載荷和90MPa的內壓。特殊螺紋油管接頭的受力如圖10所示，接頭最大應力為818.1MPa，出現在油管的螺紋大端第一牙處，已經超過材料屈服強度758MPa，此處螺紋發生了塑性變形，可能導致螺紋斷裂。

圖10　接頭軸向壓縮載荷+90 MPa內壓等效應力云圖

在軸向壓縮載荷作用下，臺肩和密封面處的接觸壓力如圖11所示，臺肩處的最大接觸應力為559.0MPa，最小接觸應力為28.9MPa；密封面處最大的接觸應力為523.7MPa，最小接觸應力為147.3MPa。密封面處最小接觸應力大于管體抗內壓強度，能保證密封，但臺肩處已經發生泄漏。

圖11　臺肩和密封面的接觸應力

6結論

1)應用ABAQUS有限元分析軟件建立了某特殊螺紋油管接頭三維有限元模型，考慮欠扭矩、最小扭矩、最佳扭矩、最大扭矩、過扭矩5種不同上扣扭矩，分析了特殊螺紋油管接頭的接觸應力及VonMises應力。

2)特殊螺紋油管接頭在常規上扣扭矩擰緊后，螺紋處最大等效應力都小于材料屈服強度，臺肩和密封面處最小接觸應力均大于管體抗內壓強度，則3種扭矩都能實現密封。

3)欠扭矩上扣后，密封面接觸應力大于管體抗內壓強度，能夠實現密封，但臺肩的輔助密封喪失；過扭矩上扣后，臺階和密封面處的接觸應力均大于管體抗內壓強度，能夠實現密封，此時接頭最大等效應力略大于材料屈服強度，會發生輕微塑性變形。

4)過、欠扭矩上扣后，分別承受軸向拉伸、壓縮載荷與內壓作用時，密封面接觸應力都大于管體抗內壓強度，但臺肩的輔助密封都已經喪失。可以得出，軸向力對特殊螺紋油管接頭臺肩的輔助密封影響較大。

5)當扭矩從最小逐漸增大時，密封面接觸應力隨著臺肩接觸應力的增大而逐漸減小，且扭矩越大，密封面和臺肩處的接觸應力越接近。

參考文獻：

[1]劉巨保，丁宇奇，韓禮紅.基于三維有限元模型的鉆具連接螺紋上扣扭矩影響分析[J].石油礦場機械，2009，38(3)：28-32.

[2]于洋，王軻，曹銀萍，等.彎曲載荷下特殊螺紋油管接頭應力有限元分析[J].石油礦場機械，2015，44(7)：53-56.

[3]龔偉安.略論套管螺紋密封性能與緊扣扭矩和圈數的關系[J].石油機械，l995，23(1)：17-24.

[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.

Finite Element Analysis of Premium Connection with Less or Over Make-up Torque

DOU Yihua，MA Liang，LI Mingfei，YU Yang

(CollegeofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China)

Abstract：Considering the helix angle，the elasto-plastic contact FEM was used，and ABAQUS FEM was used to establish three-dimensional model for the premium connection.The five making-up torques，that is under-torque，minimum torque，optimal torque，maximum torque，and over torque，were considered and the contact stress of premium connection and Von Mises stress were analyzed.The results show that sealing surface contact stress is greater than the tube body internal pressure strength，under the action of less torques，and the connection can realize seal，but the auxiliary seal of the shoulder is lost.Under the action of over torque，the contact stress at the shoulder and the sealing surface is greater than the tube internal pressure strength，and the connection can realize sealing.Under the action of less or over torque，respectively bearing axial tensile，compression load and internal pressure，the sealing surface contact stress is greater than the tube body internal pressure strength，but the auxiliary seal of the shoulder have been lost.The contact stress of the sealing surface gradually decreases with the increase of the contact stress of the shoulder，when the torque is increased from the minimum torque.

Keywords：premium connection；make-up torque；finite element analysis；sealing；contact stress

中圖分類號：TE931.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.013

作者簡介：竇益華(1964-)，男，江蘇儀征人，教授，主要從事完井試油系統安全評價與控制技術研究，E-mail：yhdou@vip.sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目( 51404198)

收稿日期：2015-11-20

文章編號：1001-3482(2016)04-0052-05