無接箍式雙臺肩油管接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

吳 丹

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001）

無接箍式雙臺肩油管接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

吳 丹

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001）

為滿足油田對特殊油管作業(yè)管柱的要求，通過有限元分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計出一種新型無接箍式雙臺肩油管特殊螺紋接頭。新型無接箍式雙臺肩油管接頭螺紋采用兩級圓柱螺紋，齒頂、齒底平行于管體軸線，齒形為優(yōu)化的偏梯形螺紋；密封結(jié)構(gòu)采用兩級密封，主密封為錐面對錐面的金屬密封，次密封為斜面臺階密封；扭矩臺階采用兩級直角臺階，抗壓縮性能良好。有限元分析結(jié)果和實物試驗驗證表明，此接頭抗粘扣性能良好，具有較優(yōu)異的連接強度及抗內(nèi)壓性能，適合對接頭外徑有限制且對油管接頭性能要求較高的油井使用。

油管；雙臺肩；無接箍；特殊螺紋接頭

Abstract:In order to meet the requirements of the oil field for the special tubing string,a new type of no-coupling double shoulder tubing special threading connector was designed through finite element analysis and structural optimization.The new type no-coupling double shoulder tubing threading connector adopts two levels cylindrical thread,the thread crest and root are parallel to the pipe body axis,and thread profile is optimized buttress thread;the seal structure adopts a two-stage seal,the main seal is the metal seal of the cone to the cone,and the secondary seal is the bevel step seal.The torque step adopts two-step right angle step,and the compression performance is good.Finite element analysis results and physical test showed that the anti-galling performance of this joint is good,has the excellent connection strength and internal pressure resistance,it is suitable for the oil well with limit to outer diameter of joints and high performance requirements for tubing joint.

Key words:tubing;double shoulder;without coupling;premium tread connection

油田進行油管作業(yè)時，由于作業(yè)次數(shù)增多以及受到環(huán)空間隙的影響，對接頭的外徑尺寸有一定的要求，并且要求保證密封性能、連接強度以及抗壓縮性能。API油管分為加厚油管（EU）和不加厚油管（NU），因其結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，存在很多難以克服的缺陷，比如抗粘扣性能差、密封性能差等。因此，本研究設(shè)計了一種無接箍式雙臺肩油管新型特殊螺紋接頭，以滿足對接頭外徑有限制且對油管接頭性能要求較高的油井。

1 新型特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 內(nèi)、外螺紋接頭結(jié)構(gòu)

無接箍式雙臺肩油管結(jié)構(gòu)設(shè)計采用管端內(nèi)外加厚的方式，在管體上直接加工內(nèi)螺紋和外螺紋，不同管體之間的內(nèi)、外螺紋互相連接，不帶接箍。外螺紋接頭從管端起，依次設(shè)計管端直角臺肩、錐面密封、前級螺紋、中間扭矩臺肩、后級螺紋和斜面臺肩。內(nèi)螺紋接頭從管端起，依次設(shè)計斜面臺階、前級螺紋、中間扭矩臺肩、后級螺紋、錐面密封和直角臺肩。內(nèi)、外螺紋接頭如圖1所示，前級螺紋和后級螺紋為優(yōu)化的偏梯形螺紋，是錐度為0的圓柱螺紋，螺紋齒頂、齒底平行于管體軸線。

圖1 無接箍式雙臺肩油管內(nèi)、外螺紋接頭

1.2 螺紋齒形設(shè)計

1.2.1 螺紋承載面和導向面角度

外螺紋與內(nèi)螺紋擰接后，相互接觸面稱為承載面，另一面稱為導向面。承載面為正角度，在上扣時不易磨損，可減少上扣時的應(yīng)力集中，增加螺紋的使用壽命，且有利于減少鍍層在承載面的積存。螺紋導向面采用大角度，可降低錯扣率，利于油田下井，便于對扣，提高作業(yè)效率。通過有限元分析及綜合考慮，確定承載面角度為+6°，導向面角度為15°，如圖2所示。

圖2 外螺紋接頭齒形

1.2.2 螺紋齒高、螺距和錐度

內(nèi)螺紋和外螺紋連接后，在載荷的作用下，內(nèi)螺紋會向外膨脹，外螺紋會向內(nèi)收縮，如果內(nèi)、外螺紋的徑向位移大于齒高，則會產(chǎn)生滑脫。但對于管體外徑88.9 mm的油管，連接后接頭變形小，可選擇較低的齒高；同時可選擇較小的螺距來提高連接強度，但過小的螺距將影響上扣效率。API偏梯形螺紋的螺距為每英寸5牙（5牙/2.54 mm），齒高為1.575 mm。綜合考慮確定本研究螺距為每英寸6牙（6牙/2.54 mm），內(nèi)、外螺紋齒高為1.28 mm，螺紋錐度為0。

1.2.3 螺紋過盈

為使接頭的危險截面面積大于或等于管體的橫截面積，從而保證接頭拉伸屈服強度大于或等于管體拉伸屈服強度，同時兼顧接頭的外徑及內(nèi)徑尺寸，確定對管端進行內(nèi)、外加厚。螺紋主要承受載荷和連接作用，采用圓柱螺紋無過盈設(shè)計，可保證接頭的抗粘扣性能，降低上扣應(yīng)力水平。

1.3 螺紋密封

密封結(jié)構(gòu)采用兩級密封，第1級密封為主密封，采用錐面對錐面金屬密封，內(nèi)、外螺紋的密封錐度為1∶1.8；第2級密封為次密封，采用斜面臺肩密封，斜面臺肩與管體軸線的夾角為65°。當內(nèi)、外螺紋接頭初步擰接時，主密封先接觸，產(chǎn)生接觸壓力，隨著進一步擰緊，扭矩增大，次密封斜面臺肩接觸，以減少主密封的應(yīng)力集中，保證接頭的密封性能，同時具有上扣定位和防過扭矩作用。

1.4 螺紋扭矩臺階

扭矩臺階設(shè)計為兩級90°直角臺肩，分別為中間扭矩臺肩和端部直角臺肩。一般的無接箍式直連型接頭的壓縮性能較低，通過合理設(shè)計的無接箍式雙臺階接頭抗壓縮性能達到管體壓縮屈服強度的80%。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

利用ABAQUS軟件對L80-1鋼級Φ88.9 mm×9.52 mm無接箍式雙臺肩接頭進行有限元分析計算。根據(jù)接頭的實際材料性能輸入其彈性模量和泊松比，并以表格形式輸入真應(yīng)力—真應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)和受力特點，將其按軸對稱問題處理，為消除管端效應(yīng)，建模時取管體長度約為螺紋長度的3倍。接頭材料視為均勻的各向同性體，接觸面的摩擦系數(shù)與實際接觸面粗糙度及實際螺紋脂類型有關(guān)，按實際試驗選取。圖3為螺紋接頭有限元網(wǎng)格模型，接觸部位進行細化，采用四節(jié)點四邊形單元CAX4，接觸模式為surface to surface。

圖3 特殊螺紋接頭的接觸部位有限元網(wǎng)格局部細分

2.2 有限元計算結(jié)果

圖4為螺紋接頭在不同狀態(tài)時的應(yīng)力云圖。由圖4（a）可以看出，在主密封以及外斜臺肩處應(yīng)力水平較高，接觸受力較大，能保證良好的密封作用；靠近外斜臺肩螺紋部位應(yīng)力水平較高，中間螺紋部位應(yīng)力水平低，最大應(yīng)力均在材料屈服應(yīng)力以內(nèi)。圖4（b）為上扣+管體100%VME拉伸等效應(yīng)力云圖，可以看出，此時管體接近屈服，管體以及連接部位危險截面應(yīng)力水平達到最高，但內(nèi)外密封部位仍保持較好的接觸狀態(tài)，螺紋保持較好的連接狀態(tài)，說明接頭已超過管體連接強度。圖4（c）為上扣+管體80%VME壓縮等效應(yīng)力云圖，可以看出，連接部位兩端應(yīng)力水平較高，其中外斜臺肩局部開始出現(xiàn)屈服，但還未達到屈服貫穿，此時為接頭最大壓縮效率。圖4（d）為上扣+管體100%VME內(nèi)壓等效應(yīng)力云圖，可以看出，管體及接頭中間管內(nèi)開始出現(xiàn)屈服，內(nèi)螺紋部位應(yīng)力水平仍然較低，接頭未發(fā)生變形，螺紋及密封部位仍然保持良好的連接狀態(tài)，說明接頭達到管體100%VME內(nèi)壓。

圖4 螺紋接頭不同狀態(tài)應(yīng)力云圖

3 特殊螺紋接頭實物試驗

為驗證接頭的各項設(shè)計是否能達到預期的性能，實物試驗評價是一個重要環(huán)節(jié)。試驗主要驗證接頭的上卸扣性能、密封性能和拉伸失效。試驗方案為：2組試樣→最大扭矩上卸扣11次→最小扭矩最終上扣→氣密封循環(huán)試驗→拉伸至失效試驗。其中，2組試樣為Φ88.9 mm×9.52 mm規(guī)格L80-1無接箍式雙臺肩油管。

3.1 上/卸扣試驗

螺紋接頭上/卸扣試驗條件見表1，上卸扣試驗數(shù)據(jù)見表2，第11次卸扣后的螺紋形貌如圖5所示。上卸扣試驗結(jié)果顯示，1#、2#試樣在上/卸扣過程中均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象。

表1 上/卸扣試驗條件

表2 上卸扣試驗數(shù)據(jù)

圖5 第11次卸扣后內(nèi)外螺紋形貌

3.2 封堵管端內(nèi)壓循環(huán)試驗

封堵管端內(nèi)壓循環(huán)試驗步驟見表3。從表3可以看出，1#、2#試樣在封堵管端內(nèi)壓氣密封循環(huán)試驗過程中均未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

表3 封堵管端內(nèi)壓循環(huán)試驗步驟

3.3 螺紋接頭拉伸試驗

對1#、2#試樣進行螺紋接頭拉伸試驗，結(jié)果見表4。從表4可以看出，失效結(jié)果為管體斷裂失效，表明接頭的連接強度達到管體強度。螺紋接頭拉伸失效后的形貌如圖6所示。

表4 螺紋接頭拉伸試驗結(jié)果

圖6 接頭拉伸試樣失效形貌

4 結(jié) 論

（1）為滿足對特殊油管作業(yè)管柱的要求，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計出一種新型無接箍式雙臺肩油管特殊螺紋接頭。

（2）經(jīng)實物試驗驗證，該特殊螺紋接頭可上扣12次，具有優(yōu)良的抗粘扣性能。

（3）該接頭設(shè)計有兩級直角臺肩，有限元分析結(jié)果表明：接頭具有良好的抗壓縮性能；封堵管端內(nèi)壓試驗未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，接頭密封性能良好；拉伸失效斷裂在管體，接頭連接強度可靠。

[1]史交齊，高連新，趙克楓，等.論無接箍式套管的性能、評價及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，1998(5)：30-37，111.

[2]高連新，史交齊.VAM FJL無接箍式套管的使用性能分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，1998(10)：24-27.

[3]高連新，汪華林，張毅，等.窄間隙特殊扣套管的使用性能分析[J].天然氣工業(yè)，2007(11)：58-60，136.

[4]夏佑廣.HSM-2型特殊螺紋套管接頭設(shè)計分析[J].焊管，2016(4)：22-26.

[5]曹杉，高進偉，孔祥領(lǐng)，等.油井管特殊螺紋設(shè)計技術(shù)分析[J].鋼管，2015(1)：15-23.

[6]許志倩，閆相禎，楊秀娟.非API套管接頭完整性評估計算方法[J].工程力學，2016(2)：188-199.

[7]李恒政，盧小慶，扈立，等.7-5/8in超高強度直連型石油套管的開發(fā)[J].天津冶金，2014(2)：5-7.

[8]王建東，馮耀榮，林凱，等.特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)比對分析[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2010(5)：126-130.

[9]高連新，金燁，張居勤.石油套管特殊螺紋接頭的密封設(shè)計[J].機械工程學報，2005，41(3)：217-220.

[10]彭羽，李連進.石油套管特殊螺紋接頭螺紋參數(shù)與密封性能的關(guān)系[J].機電技術(shù)，2016(2)：4-7.

編輯：羅 剛

Structure Design and Analysis for No-coupling Type Double Shoulder Tubing Joint

WU Dan
（Hengyang Valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,Hunan,China）

TG62

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.007

吳 丹（1982—），女，湖南岳陽人，工程師，主要從事油套管螺紋接頭產(chǎn)品的研究與開發(fā)。

2017-04-26