HSM-2型特殊螺紋套管接頭設計分析

夏佑廣

（衡陽華菱鋼管有限公司技術中心，湖南 衡陽421001）

HSM-2型特殊螺紋套管接頭設計分析

夏佑廣

（衡陽華菱鋼管有限公司技術中心，湖南 衡陽421001）

在綜合考慮油田使用要求和現有機床加工能力的基礎上，以計算機仿真技術為手段，分析并模擬套管接頭在多種工況下的使用性能，優化特殊螺紋套管接頭的結構，設計開發出一種具有自主知識產權的HSM-2特殊螺紋套管接頭新結構。目前，HSM-2特殊螺紋接頭已經通過了嚴格的評價試驗，并獲得了下井應用。新產品HSM-2特殊螺紋套管接頭的設計開發，成功實現CAD（計算機輔助設計）—CAE（計算機輔助分析）—CAM（計算機輔助加工）的無縫銜接，降低了新產品開發成本和開發周期，可以為開發更多類似產品提供參考。

石油套管；特殊螺紋接頭；結構設計；密封性能；應力分析

隨著石油鉆井技術的進步，越來越多的深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱采井、重腐蝕井和水平井投入開采，對油套管提出了越來越苛刻的技術要求，主要表現在對油套管的密封性能和連接強度要求更高，而目前按API標準設計的油套管無法滿足這種要求[1-3]，因此需要開發性能更加可靠的特殊螺紋接頭滿足這一市場需求。衡陽華菱鋼管有限公司在HSM-1系列特殊螺紋油套管研制成功的基礎上，又研制成功了HSM-2型特殊螺紋套管接頭。特殊螺紋開發研制中，主要采取有限元、試驗應力分析技術及全尺寸評價試驗。試驗應力分析技術是指在套管接頭表面（一般為接箍外表面和管體內表面）粘貼應變片研究接頭的變形和受力情況，這種方法只能測出接頭表面的應力和應變，無法深入了解接頭內部的情況；全尺寸評價試驗主要評價接頭的實物性能，有嚴格的評價程序，但試驗費用昂貴；有限元法是一種數值分析方法，這種方法能夠展示螺紋連接的三向應力分布，可以計算出大量有關應力應變的信息，并且具有較高的精度。筆者采用有限元分析方法對HSM-2接頭在服役過程中的典型工況進行分析，并介紹HSM-2接頭全尺寸試驗結果，用以驗證有限元方法的準確性。

1 HSM-2型特殊螺紋套管接頭結構

HSM-2特殊螺紋接頭在氣密封、連接強度、抗粘扣、耐應力腐蝕等方面的性能都優于API螺紋接頭，這主要是因為HSM-2接頭在結構設計上與API螺紋有著根本的不同，除了連接螺紋外，還增加了專門的金屬/金屬密封結構和扭矩臺肩。

1.1 HSM-2螺紋設計

由于增加了專門的密封結構，HSM-2的連接螺紋將不再起主要密封作用，螺紋采用連接效率高的偏梯形螺紋，但是在形狀方面有所改變，承載面角為-3°和10°，使螺紋呈倒鉤形，可最大限度地降低接頭的徑向應力。齒高及齒寬也做相應調整，內螺紋與外螺紋齒高不同，嚙合后在內螺紋齒底與外螺紋齒頂之間產生一定的間隙，如圖1所示。該間隙可存儲多余的螺紋脂，降低螺紋應力集中。主要目的是提高接頭抗復合載荷的能力，改善接頭應力分布，提高耐應力腐蝕性能，同時兼顧上扣操作的方便性。

圖1 新舊螺紋比較

1.2 密封結構

HSM-2螺紋延續了HSM-1的密封形式，即錐面/錐面金屬密封結構。特殊螺紋接頭的氣密封性、抗粘扣性都與接頭的密封結構緊密相關，所以確定密封結構的形式、尺寸及其公差，要同時考慮接頭的氣密封性和抗粘扣能力，也就是要保證接頭的密封可靠性和上扣完整性。密封結構過盈量和加工公差的確定與密封結構形式密切相關，其設計合理與否，不僅影響密封面接觸壓力的大小、接頭應力分布及密封的可靠性，同時也直接影響加工成本和現場操作。錐面/錐面金屬密封結構是一種常見的密封結構形式，目前很多特殊螺紋接頭，如V&M公司的VAMTOP、TENARIS公司的BLUE、HUNTING公司的SEALLOCK APEX等都采用了這種密封形式[4]，本設計根據有限元分析結果，將錐面密封結構的錐度進行了調整。HSM-2接頭結構如圖2所示。

圖2 HSM-2接頭結構示意圖

1.3 扭矩臺肩

設計扭矩臺肩需要處理好螺紋、密封結構的相互影響，需要達到如下要求：①保證接頭密封性能，包括上扣時密封面配合良好、承載時密封面關鍵部位不發生塑性變形而降低其密封性能；②限定上扣機緊扭矩，限定螺紋機緊過盈量，從而提高螺紋抗粘扣能力；③承受過大的扭矩載荷能力。扭矩臺肩的合理設計可以保證接頭的氣密封性、連接強度、抗粘扣能力、耐應力腐蝕等性能，還可以提高接頭抗壓縮及彎曲變形能力。

2 有限元分析

2.1 計算模型

套管螺紋結構是一個空間螺旋曲面，結構復雜，所受外力包括上扣、內壓、外壓、拉伸、壓縮等載荷，而且材料變形往往會超出屈服極限，因此，采用有限元方法對接頭進行受力分析時，會涉及到材料、幾何和接觸三重非線性問題[5]。大型非線性有限元分析軟件MSC/MARC具有優良的非線性功能，在接觸問題的處理上具有優勢，非常適合分析螺紋這種具有復雜幾何外形的結構。本研究利用MARC軟件及其前后置處理器Mentat進行建模和網格劃分，并綜合考慮材料、幾何和邊界條件的三重非線性，考慮摩擦影響，用牛頓-拉斐遜方法求解單元平衡方程。為了分析方便，參考已有的經驗，在不影響問題實質的前提下，引入以下簡化：①接頭套管材料為各向同性；②不計螺紋升角的影響，接頭套管在幾何上可看成是軸對稱；③假定接頭中各接觸面的摩擦系數為0.028[6]。

根據上述假設，將特殊螺紋套管接頭按軸對稱問題處理。選用的單元類型為軸對稱三節點三邊形實體單元，重點分析金屬/金屬密封面上的接觸應力分布情況，模型邊界條件及有限元網格劃分如圖3所示。

圖3 接頭有限元模型及密封面接觸壓力分布

計算時選擇L80鋼級Φ177.8mm×10.36mm HSM-2特殊螺紋套管接頭，模型的材料特性參考API SPEC 5CT標準對N80套管材料特性的測定（見表1）。

表1 模型中套管的材料特性

2.2 加載步驟

分析目的是評估特殊螺紋套管接頭HSM-2在復合載荷下的密封性能，以及連接強度指標，從而為改進設計、優化其結構提供指導。在ISO 13679：2002 A系試驗中，加載點包括拉伸、壓縮、內壓和外壓等多種工況，共14個加載點[7]，基本涵蓋了接頭在實際應用中所遇到的各種載荷工況。ISO 13679：2002中A系所有加載點的密封面接觸應力分布情況如圖4所示。

圖4 L80鋼級Φ177.8mm×10.36mm HSM-2接頭A系載荷包絡線

2.3 密封判據

對于任何一個特殊螺紋接頭金屬/金屬密封結構來說，既要滿足對接頭內部流體壓力的阻隔，又要滿足上扣和使用過程中金屬/金屬密封結構不至于損壞。為此，要保證金屬/金屬密封結構能夠有效地密封，則必須同時滿足式（1）和式（2）的要求，否則密封就會失效。

式中：σc—接觸應力，MPa；

p—接頭內部流體壓力，MPa；

S1—最小耐壓安全系數，S1=1.5～2.0；

σmax—密封接觸面最大應力，MPa；

σs—密封結構屈服強度，MPa；

S2—密封結構破壞安全系數，S2=1.1～1.2。

式（1）和式（2）可以看做是金屬/金屬密封結構的密封判據。由于上述判據實際操作起來比較困難，目前通常采用密封面上的接觸應力沿著密封長度的積分作為考量接頭密封性能的依據[8-9]，該面積定義為密封指數或者積分強度（sealindex）。積分強度（密封指數）定義為密封面上接觸應力對接觸長度的積分。接觸應力反映了接觸面上對應節點的應力大小，積分強度則綜合體現了接觸應力和接觸長度的效果。計算公式為

式中：Si—密封指數，MPa·mm；

L—接觸長度，mm。

2.4 分析結果

L80鋼級 Φ177.8mm×10.36mm HSM-2螺紋接頭在上述14個加載點以及上扣情況下，根據其接觸壓力在密封面上的分布情況，得到密封面上的接觸應力分布曲線如圖5所示。

圖5 密封面上的接觸應力分布曲線

從圖5可以看出，L80鋼級 Φ177.8mm×10.36mm HSM-2接頭在ISO 13679：2002中A系所有加載點均保持了很高的接觸壓力，而且接觸面的密封長度都保持在0.8mm以上，接觸壓力曲線的形狀基本相同。在上述加載點、主密封面都能保持較高的接觸壓力和足夠的接觸長度，也證明接頭在上述加載點均能保持良好的密封性能。

經過計算，L80鋼級Φ177.8mm×10.36mm HSM-2接頭在上述14個加載點的密封指數見表2。

表2 各個加載點的密封指數

3 全尺寸試驗

特殊螺紋接頭與API螺紋接頭相比，在結構形式、密封機理、檢測方法、維護及操作方面都有許多不同，如何評價特殊螺紋接頭的性能成為一個新的課題[10]。目前，API和ISO制訂了相關的評價標準ISO 13679評價程序。ISO 13679針對油套管的用途不同，制訂了4個不同的評價等級：CAL-I～CAL-IV，其中CAL-IV是最苛刻的級別，通過該評價級別的特殊螺紋接頭適用于最苛刻的用途。

HSM-2特殊螺紋接頭已經通過了CAL-IV級評價試驗，評價單位為中國石油集團石油管工程技術研究院，評價結果表明該接頭設計達到了國外同類產品的先進水平。其中拉伸失效和內壓失效位置均在管體，說明接頭的強度高于管體，如圖6和圖7所示。表3為極限破壞試驗結果與有限元分析結果的對比。從表3可以看出，有限元分析結果與試驗結果比較接近，說明本研究建立的有限元模型是合理的。

圖6 HSM-2接頭拉伸失效位置

圖7 HSM-2接頭內壓失效位置

表3 極限破壞試驗失效載荷與有限元分析結果對比

4 結 論

（1）特殊螺紋接頭的性能取決于其自身的結構設計。對于API螺紋來說，螺紋既要承擔連接功能，又要承擔密封功能；對于特殊螺紋接頭HSM-2來說，設置了專門的金屬/金屬密封結構，密封性能顯著增強。

（2）有限元分析表明，特殊螺紋接頭HSM-2在ISO 13679：2002中A系所有加載點均保持了很高的接觸壓力，而且接觸面的密封長度都保持在0.8mm以上，較高的接觸壓力和足夠的接觸長度，也證明接頭在上述加載點均能保持良好的密封性能。

（3）HSM-2接頭主密封采用錐面/錐面形式，密封可靠性高，并已通過了最為苛刻的ISO 13679 CAL-IV評價試驗，進一步證明了接頭設計的合理性，也驗證了有限元模擬的結果。

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Design and Analysis on Special Thread Casing Joint HSM-2

XIA Youguang
（Technical Center of Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421001，Hunan，China）

On the basis of consideration of the use requirements from the oil field and threading capacity of the existing machine tools，by means of computer simulation technology，analyzed and simulated casing joint performance in a variety of working conditions，optimized the structure of premium connection，finally designed a premium connection HSM-2 for casing with independent intellectual property rights of new structure.Currently，HSM-2 premium connection has passed the strict evaluation test，and obtained the downhole application.The design and development of new product HSM-2 casing premium connection，successfully implemented seamless connection of CAD（computer aided design）—CAE（computer aided analysis）—CAM（computer aided machining），reduced the cost and development cycle of new product，provided a reference for developing similar products.

casing；premium connection；structure design；seal performance；stress analysis

TE973.9 文獻標志碼：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.006

夏佑廣（1983—），男，工程師，現主要從事特殊螺紋新產品設計研發和石油管全尺寸試驗研究。

2015-12-14

汪翰云