具有臺階密封面油套管接頭力學性能有限元分析

蔄靖宇,安 琦

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院,上海200237; 2.上海電力學院 數理學院,上海200090)

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具有臺階密封面油套管接頭力學性能有限元分析

蔄靖宇1,2,安 琦1

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院,上海200237; 2.上海電力學院 數理學院,上海200090)

以具有臺階密封面結構的錐形油套管接頭為研究對象,以美國石油學會(API)圓螺紋套管接頭為例,通過有限元分析計算,研究了錐螺紋聯接上扣擰緊時,擰緊圈數和密封面初始間隙對密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計彈性變形量的影響規律.結果表明:在密封面初始間隙一定的條件下,螺紋接頭擰緊圈數增大使密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計彈性變形量增大;當擰緊圈數相同時,密封面初始間隙越小,密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計彈性變形量越大.

臺階油套管接頭; 有限元分析; 力學性能; 密封面初始間隙

油套管接頭往往具有臺階密封面結構,這種螺紋聯接在擰緊時通過臺階密封面的壓緊作用可實現密封效果.研究表明,螺紋聯接處是油套管聯接中最薄弱的環節,油套管失效事故60%以上發生在螺紋聯接部位[1].由于臺階密封面的存在,使得螺紋面的受力更加復雜,對其擰緊過程進行力學分析十分必要.

有限元法是研究螺紋聯接力學行為的有效方法之一.習俊通等[2]研究了套管螺紋接頭在上扣過盈、軸向拉伸及內壓3種工況下各圈螺紋軸向載荷的分布情況,結果表明:3種工況下各圈螺紋軸向載荷分布都是不均勻的,這種載荷分配的不均勻性對套管螺紋接頭的抗拉性能有重要影響.Baragetti[3]研究了錐度變化對具有臺肩結構錐螺紋接頭載荷分布的影響,研究表明:在一定范圍內減小螺紋錐度可有效改善螺紋接頭載荷分布的不均勻性.高連新等[4]針對圓螺紋接頭在上扣扭矩、軸向拉伸和內壓作用下螺紋聯接平均接觸壓力分布進行了分析,結果表明:套管接頭螺紋聯接平均接觸壓力分布呈現兩頭大、中間小的趨勢,為提高套管接頭的連接性能,需對螺紋的結構進行優化.吳迪平等[5]針對美國石油學會(American Petroleum Institute,API)圓螺紋石油套管接頭計算分析了不同接箍螺紋起始斜度下接頭螺紋的接觸狀態與應力分布,通過對接箍起始斜度的優化分析,認為接箍最佳起始斜度應為50°～55°.王旱祥等[6]定量分析了錐度對油管螺紋聯接應力的影響,分析結果表明:錐度的變化影響螺紋聯接的等效應力及接觸應力分布.陳守俊等[7]研究了圓錐管螺紋上扣過盈以及軸向拉伸時螺紋牙齒面上的載荷分布規律.孫浩等[8]分析了油管螺紋聯接上扣過盈時各圈螺紋的受力情況,指出各圈嚙合螺紋齒面受力最大的是齒根部分,對齒根部分進行結構優化有助于改善螺紋聯接承載性能.

可以看出,目前的研究大多是對油套管螺紋聯接在上扣過盈、軸向拉伸和內壓等工況下的力學行為進行了分析與研究,但大部分沒有考慮附帶密封臺階面這一結構的螺紋聯接形式,對這種聯接螺紋的軸向受力分布與變形的研究還不多且不夠深入.

本文以帶有密封臺階的API圓螺紋套管接頭為研究對象,考慮密封端面的力學作用,建立了這種錐形油套管接頭有限元分析模型,計算研究了錐螺紋聯接上扣擰緊時擰緊圈數和密封面初始間隙對密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計彈性變形量的影響規律.

1 錐螺紋聯接有限元模型

1.1 具有臺階密封面結構的錐螺紋聯接建立

本文在建立油套管錐螺紋聯接模型時,采用的假設與文獻[9]一致:① 螺紋牙的變形在彈性范圍內;② 螺紋牙兩側長度相等;③ 不考慮螺旋角的影響.考慮密封端面的力學作用,經過簡化后,管體與接箍擰緊到手緊位置時(未發生徑向過盈)的聯接示意圖如圖1所示,其中δ為手緊后兩密封端面的初始間隙.

管體與接箍擰緊到機緊位置時的聯接示意圖如圖2所示.從手緊位置起,管體外螺紋旋進N圈后,管體外螺紋螺尾端的臺階面與接箍端面相互接觸壓緊而形成密封面.這時,管體與接箍密封面上由于軸向過盈接觸而產生一個相互擠壓力;同時,由于螺紋錐度的影響,管體與接箍的螺紋牙發生徑向過盈配合,螺紋牙齒面上必將產生相互壓緊的接觸壓力.

圖1 手緊位置管體與接箍的聯接示意圖

圖2 機緊位置管體與接箍的聯接示意圖

由圖1和圖2可知,當錐螺紋聯接機緊N圈時,管體與接箍密封面上的軸向擠壓過盈量δa為

(1)

式中:P為螺距;δ為錐螺紋聯接手緊后兩密封端面的初始間隙.內外螺紋徑向配合過盈量δr為

(2)

式中:t為螺紋錐度.

兩密封面發生接觸時,由于端面擠壓力的作用,管體外螺紋軸向受拉,接箍內螺紋軸向受壓.本文作者前期已對具有臺階密封面油套管接頭的力學性能進行了理論分析,并取得了一定的研究成果[10].為使文獻[10]中的計算模型與本文的計算模型具有可比性,將圖2中管體密封面(截面A-A)空間位置固定作為計算基準面,來研究錐螺紋接頭機緊時計算基準面右側的管體與接箍的受力與變形.

1.2 有限元分析模型建立

針對上述錐螺紋聯接的力學模型,建立有限元計算模型,研究模擬不同密封端面初始間隙條件下上扣過盈時的螺紋聯接力學性能.有限元建模時作了如下假設[11]:① 材料為各向同性;② 由于螺紋升角小于2°,對螺紋聯接的應力應變等參數影響很小,考慮到分析模型的實用性,故作為軸對稱問題進行處理;③ 假設管體和接箍在變形前是圓形的;④ 接觸面的摩擦因數與采用的螺紋脂類型有關,一般為0.015～0.025,本次計算假定螺紋接頭各接觸面的摩擦因數為0.02.

采用大型非線性有限元軟件Marc對錐螺紋聯接進行二維軸對稱實體分析,Marc具有較強的接觸分析功能.圖3所示為計算基準面右側的錐螺紋聯接有限元模型及網格劃分.有限元模型選用的單元類型為三節點三角形軸對稱實體單元,共有7 903個單元,4 357個節點,其中螺紋牙處的網格進行了加密處理.

圖3 錐螺紋聯接有限元分析模型與網格劃分

為便于計算結果的處理與比較,嚙合螺紋牙編號時,將管體外螺紋靠近計算基準面的第1牙定義為嚙合螺紋編號1,然后依次編號直至管體端部.在管體左端面(計算基準面)的節點上施加軸向位移約束,以消除模型的剛體位移.計算分析中,將錐螺紋聯接機緊圈數轉換成密封面軸向過盈和螺紋牙徑向過盈來處理.給定擰緊圈數N,可計算得到對應條件下的螺紋聯接應力狀態,如圖4所示.

圖4 錐螺紋聯接擰緊時的應力狀態

在作者前期的理論分析基礎上,針對錐螺紋聯接擰緊時的齒面最大接觸應力,分別進行了理論計算和有限元分析計算,結果對比如圖5所示.從圖中可以看出,除第1,2圈嚙合螺紋外,有限元分析結果與理論計算結果的變化趨勢及數量級還是基本吻合的.兩種計算方法建模時所作的假設與參數簡化對計算結果是有一定的影響,但所得到的曲線總體變化趨勢基本一致也相互驗證了可靠性.

圖5 理論計算與有限元法計算的齒面最大接觸應力比較

2 實例計算研究

采用上述有限元模型,以API圓螺紋套管接頭為例進行力學性能模擬計算.參照API 5B標準,螺紋接頭的結構與材料參數見表1.密封面初始間隙分別取δ= 0 mm,δ= 0.3 mm和δ= 0.6 mm.計算研究不同密封面初始間隙條件下,錐螺紋聯接擰緊圈數對密封面上擠壓力、外螺紋軸向力和管體與接箍軸向彈性累積變形量的影響規律.

圖6所示為通過Marc有限元分析得到的模擬具有密封端面結構錐螺紋聯接擰緊時的Von Mises應力云圖.由圖6可以看出:從螺紋聯接左端開始,管體與接箍基體部分的Von Mises 應力基本呈現出逐步減小的趨勢;發生嚙合的螺紋牙從第1圈開始,其Von Mises 應力依次逐步減小,直到最后2圈略有提升.螺紋聯接中,接箍左側端部內邊緣和管體第1圈外螺紋左側齒根處的Von Mises應力較高,這是應力集中的具體表現,可通過設計合理的圓角結構改變應力狀態.

表1 螺紋接頭的結構與材料參數

圖6 錐螺紋聯接擰緊時的Von Mises應力云圖

將有限元分析得到的數據提取出來并整理,可以得到不同密封端面初始間隙條件下密封面上擠壓力與擰緊圈數N的變化曲線,如圖7所示.由圖可知,密封端面初始間隙一定時,隨著擰緊圈數的增加,密封面擠壓力逐漸增大,但環比增長幅度逐步減小.在擰緊圈數相同的條件下,密封端面初始間隙越小,密封面擠壓力越大.所以,為提高螺紋聯接的密封性能,應完善加工與安裝工藝,盡量減小密封面初始間隙.

圖7 密封面擠壓力與擰緊圈數的變化曲線

螺紋聯接擰緊后,管體外螺紋軸向受拉.圖8所示為管體外螺紋軸向受力分布曲線,其中擰緊圈數分別為N=1和N=2,密封端面初始間隙分別為δ=0 mm和δ=0.3 mm.由圖8可知,對管體外螺紋而言,當擰緊圈數和密封面初始間隙一定時,第1圈外螺紋的軸向力最大,后面各圈螺紋的軸向力依次減小,單圈螺紋所受的軸向力分布不均.其中前面第1圈至第3圈螺紋的軸向力下降較快;從第4圈螺紋開始,軸向力下降趨勢較為平穩.可見,帶有端面密封結構的錐螺紋聯接中,靠近密封面的前幾圈嚙合螺紋承受了較大的軸向力.因此,在實際設計和加工中,應從結構和工藝上采取相應措施來改善軸向載荷的這種分布不均特性.

由圖8還可看出:對單圈外螺紋而言,在密封端面初始間隙相同的條件下,其軸向力隨著擰緊圈數的增加而增大,越是靠近密封面的螺紋牙,其軸向力增大幅度越大;在擰緊圈數相同的條件下,其軸向力隨著密封初始間隙的減小而增大.

圖8 管體外螺紋軸向受力分布曲線

圖9所示為模擬具有密封端面結構錐螺紋聯接擰緊時的軸向彈性應變云圖.由應變云圖及其標定可以看出,管體發生軸向拉伸應變,接箍發生軸向壓縮應變.從螺紋聯接左端開始,軸向拉伸(壓縮)應變基本呈現出逐步減小的趨勢.

圖9 錐螺紋聯接擰緊時的軸向彈性應變云圖

以管體密封面作為軸向計算基準面,可以計算出每一圈發生嚙合的外(內)螺紋的軸向累計彈性伸長(壓縮)量.圖10所示為外螺紋軸向累計彈性伸長量變化曲線,圖11所示為內螺紋軸向累計彈性壓縮量變化曲線.其中擰緊圈數分別為N=1和N=2,密封端面初始間隙分別為δ=0 mm和δ=0.3 mm.

由圖10和圖11可以看出:對螺紋聯接整體而言,發生嚙合的內外螺紋軸向累計彈性變形量的變化規律基本一致,即當擰緊圈數和密封面初始間隙一定時,外(內)螺紋從第1圈到最后一圈,其軸向累計彈性伸長(壓縮)量逐漸增大.其中前幾圈(第1～4圈)螺紋軸向累計彈性伸長(壓縮)量增長較快,后面每圈螺紋軸向累計彈性伸長(壓縮)量增長相對較為平緩,而且擰緊圈數N越大,前幾圈螺紋軸向累計彈性伸長(壓縮)量變化越明顯.可見,對于具有端面密封結構的錐螺紋聯接來說,軸向彈性變形主要發生在前幾圈螺紋上,擰緊圈數對前幾圈螺紋軸向彈性變形的影響更大.

圖10 外螺紋軸向累計彈性伸長量變化曲線

圖11 內螺紋軸向累計彈性壓縮量變化曲線

從圖10和圖11還可看出：對單圈內外螺紋而言,在擰緊圈數相同的條件下,密封端面初始間隙越小,螺紋軸向累計彈性伸長(壓縮)量越大;在密封端面初始間隙相同的條件下,擰緊圈數越大,螺紋軸向累計彈性伸長(壓縮)量越大.

3 結論

(1) 考慮密封端面的力學作用,建立了具有臺階密封面結構的錐形油套管接頭有限元分析模型,利用該有限元模型可計算出擰緊圈數和密封面初始間隙一定時密封面上的擠壓力、螺紋軸向力和螺紋軸向累計彈性變形量.通過理論計算和有限元法計算結果的比較和分析,驗證了有限元計算模型的可靠性.

(2) 以API圓螺紋套管接頭為例,計算并獲得了密封面擠壓力、螺紋軸向力和外(內)螺紋軸向累計彈性伸長(壓縮)量與擰緊圈數、密封面初始間隙的變化關系曲線.結果表明:密封面初始間隙直接影響密封面上的擠壓力大小,盡量減小初始間隙可提高螺紋聯接密封性能;螺紋接頭機緊后,發生嚙合的單圈螺紋牙的軸向受力與變形呈現分布不均現象,靠近臺階密封面的前幾圈螺紋牙軸向受力與變形較大,這種受力與變形的不均勻性對螺紋接頭的聯接性能和密封性能有重要影響;擰緊圈數的變化對前幾圈嚙合螺紋的軸向受力與變形的影響更為顯著.

[1] SCHWIND B.Mobile qualifies of three tubing and casing connection product lines[J].Hart S Petroleum Engineer International,1998,27(11):59-62.

[2] 習俊通,聶鋼,梅雪松,等.套管螺紋接頭連接性能的接觸有限元分析[J].西安交通大學學報,1999,33(11):63-66.

XI Juntong,NIE Gang,MEI Xuesong,et al.Contact and connection behavior in finite element analysis of casing thread joints[J].Journal of Xi’an Jiao Tong University,1999，33(11):63-66.

[3] BARAGETTI S.Effects of taper variation on conical threaded connections load distribution[J].Journal of Mechanical Design,2002,124(2):320-329.

[4] 高連新,金燁,史交齊.圓螺紋套管接頭應力分布規律研究[J].機械強度,2004,26(1):42-48.

GAO Lianxin,JIN Ye,SHI Jiaoqi.Study on stress distribution at round casing thread connections[J].Journal of Mechanical Strength,2004,26(1):42-48.

[5] 吳迪平,臧勇,秦勤,等.石油套管螺紋聯接仿真與接箍起始斜度優化[J].北京科技大學學報,2005,27(1):105-108.

WU Diping,ZANG Yong,QIN Qin,et al.Simulation of casing connection optimization on end pitch of coupling[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2005,27(1):105-108.

[6] 王旱祥,于艷艷,李增亮,等.錐度對油管螺紋聯接應力影響的有限元分析[J].石油機械,2007,35(9):55-57.

WANG Hanxiang,YU Yanyan,LI Zengliang,et al.Finite element analysis of the influence of taper on tubing connection stress[J].China Petroleum Mechinery,2007,35(9):55-57.

[7] CHEN S J,LI Q,ZHANG Y,et al.Finite element analysis of tooth load distribution on P-110S conic threaded connection[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2011,88(2/3):88-93.

[8] 孫浩,袁光明,鑒繼超.油管螺紋聯接受力分析及優化措施[J].制造業自動化,2014,36(5):92-94.

SUN Hao,YUAN Guangming,JIAN Jichao.Stress analysis and optimization measures of tubing thread connection[J].Manufacturing Automation,2014,36(5):92-94.

[9] CHEN S J,LI Q,AN Q.Calculation method of radial stress and deformation on conic threaded connections with interference fit[J].Frontiers of Mechanical Engineering in China,2010,5(3):302-307.

[10] 蔄靖宇,李正美,安琦.油管接頭臺階密封面的接觸壓力及密封性能[J].華東理工大學學報(自然科學版),2015,41(3):417-423.

MAN Jingyu,LI Zhengmei,AN Qi.Contact pressure and seal properties of sealing shoulder face for tubing threaded connection[J].Journal of East China University of Science and Technology(Nature Science Edition),2015,41(3):417-423.

[11] 袁光杰.API圓螺紋接頭力學性能的數值仿真與實驗研究[D].上海:上海交通大學,2004.

YUAN Guangjie.Numerical simulation and experimental research on mechanical behavior of API round threaded connection[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2004.

Finite element analysis of mechanical performance for the tubing and casing connection with sealing shouldered face

MAN Jingyu1,2,AN Qi1

(1.School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.School of Mathematics and Physics,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

In this paper,the tubing and casing conical threaded connection with a sealing shoulder face is taken as the research object.An API conical casing threaded connection is taken as the sample and the influences of the tightening cycle and initial sealing clearance on the extrusion force on the sealing face,the axial load and the accumulative axial elastic deformation of each thread are calculated and modeled by finite element analysis.The results show that the extrusion force on the sealing face,the axial load and the accumulative axial elastic elongation(compression)variation of each thread will increase with the increase of the tightening cycle under a certain initial seal clearance.Under the same tightening cycle,a smaller initial sealing clearance can lead to larger the extrusion force on the sealing face,the axial load and the accumulative axial elastic elongation(compression)variation of each thread.

tubing and casing threaded connection with shouldered sealing face; finite element analysis; mechanical performance; initial sealing clearance

蔄靖宇(1972—),男,博士生.E-mail:shiepmjy@163.com

TH 131.3;TE 256.9

A

1672-5581(2017)02-0130-06