海洋生產立管接頭特殊螺紋有限元分析*

王耀鋒，李愛利，劉遠波，楊 虎，左其川，周亞輝，李秀珍

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721001；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721001）

海洋生產立管接頭特殊螺紋有限元分析*

王耀鋒1,2，李愛利1,2，劉遠波1,2，楊 虎1,2，左其川1,2，周亞輝1,2，李秀珍1,2

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721001；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721001）

為了適應海洋水下生產立管的苛刻工況，設計了一種頂端張緊式生產立管螺紋接頭，并采用有限元接觸分析模型對該接頭進行了相關的力學分析。通過Abaqus有限元軟件計算對比了接箍螺紋與管體強度，模擬立管的上扣過程，計算最佳上扣扭矩，研究了該模型在上扣扭矩、上扣和內壓、上扣和拉伸、上扣和拉伸及內壓四種載荷下的密封性能。有限元分析結果表明，密封面接觸壓力隨內壓的增加而增加，單軸拉伸載荷使得密封面的接觸壓力有所減小，拉伸載荷和內壓共同作用時密封面上的接觸壓力呈增加趨勢，但是增加的幅度要比僅受內壓作用時小。該海洋生產立管特殊螺紋的強度優于管體，密封性能可靠，滿足設計要求。

特殊螺紋；海洋生產立管；有限元分析

全球經濟發展對油氣能源的依存度逐年提高，雖然當前原油價格持續走低，市場低迷，但海洋油氣開發仍呈緩慢增長態勢，是未來全球油氣開發的新趨勢[1]。海洋立管系統是連接水面浮式裝置和位于海床的海底設備的導管，有多種結構，如自由懸掛的鋼懸鏈線立管（SCR）、頂端張緊式立管（TTR）、惰性S立管、陡峭型S立管、惰性波浪立管和陡峭型波浪立管等。

頂端張緊式立管屬于剛性立管，是深海立管的一種常用形式，一般用于鉆井、完井或生產，可分為鉆井立管和生產立管。頂端張緊式生產立管最早應用于1984年的一艘Hutton的TLP船上，該船位于英國北海，水深148.13 m（486 ft）。TTR生產立管后來也用于1996年投入使用的第一艘SPAR平臺Neptune上。頂端張緊式生產立管工作時承受風、浪、流、頂張力等動態載荷，這些載荷隨時間作周期性變化，從而使得頂端張緊式生產立管產生交變應力[2]。在交變應力作用下，雖然立管系統中的應力遠遠低于其屈服極限，但長期反復作用后，立管接頭或焊縫甚至本體也會產生疲勞裂紋，導致立管疲勞失效。

雖然油套管特殊螺紋研究及評價技術得到了業界的廣泛關注，并做了大量的相關研究[3-12]，但針對海洋水下頂端張緊式生產立管苛刻工況的特殊螺紋研究與應用方面的研究卻很鮮見。本研究設計了一種海洋頂端張緊式生產立管螺紋接頭，并建立了有限元接觸分析模型。通過Abaqus有限元軟件計算對比了接箍螺紋與管體強度，模擬立管的上扣過程，計算最佳上扣扭矩，研究了該模型在上扣扭矩、上扣和內壓、上扣和拉伸、上扣和拉伸及內壓四種載荷下的密封性能。有限元分析結果表明立管特殊螺紋強度優于管體，密封性能可靠，滿足設計要求。

1 生產立管接頭結構及其參數

本研究涉及的海洋生產立管接頭結構如圖1所示。由圖1可見，接頭由母接頭、公接頭、特殊螺紋和密封圈組成。立管接頭主要參數見表1。立管接頭密封采用金屬過盈密封和彈性密封的復合密封方式，螺紋牙頂和牙底采用大圓角過渡，母接頭和公接頭螺紋端部設有應力釋放槽。

圖1 立管接頭結構示意圖

表1 立管接頭主要參數

2 生產立管有限元模型的建立

依據生產立管的方案設計圖紙，對立管接頭結構局部進行了部分簡化，并建立了有限元模型。因立管主體可看成一旋轉體，為減少計算工作量，減小分析的規模，選擇平面軸對稱模型，按其約束及受力特征取其平面模型進行分析計算。

首先采用Auto CAD設計軟件建立二維模型，再導入Abaqus軟件的軸對稱模型。建立的立管有限元模型如圖2所示。

圖2 立管有限元模型

2.1 假設條件

根據生產立管結構的特點，分析中采用了相應的簡化和假設：①接箍和立管材料為各向同性的；②立管材料進入屈服后為各向同性強化；③不計小螺紋升角的影響。

2.2 材料力學性能參數

特殊螺紋公母接頭材料均選用合金鋼，并經調質處理， σs≥588 MPa。

2.3 邊界條件及載荷

特殊螺紋接頭本體可簡化為一平面軸對稱模型，下端部采用固定的邊界條件進行約束計算。生產立管接頭內部承受35 MPa的內壓，接頭上端部加載124.4 MPa。立管接頭的邊界條件及載荷模型如圖3所示。

圖3 立管接頭的邊界條件及載荷模型

2.4 單元劃分

采用平面四面體單元進行劃分，對于螺紋承載處及扭矩臺肩、金屬過盈密封處均進行局部網格細化，主密封部分有限元單元均勻劃分為12個節點，劃分網格后的有限元模型見圖2。

2.5 不同工況下的分析計算

2.5.1 工況Ⅰ

工況Ⅰ—計算對比接箍螺紋與管體強度。目前工業界認為，要提高接頭的連接效率，接頭的失效模式不允許是脫扣失效，而應是斷裂失效，只有這樣，才能充分發揮接頭材料的潛力。因此在本工況中立管內部承受35 MPa的內壓，接頭上端部加載588 MPa。這個加載條件遠遠大于其真正工作時候的受力狀態，目的是研究接頭特殊螺紋的承載能力是否等于或者大于管體的承載能力。

2.5.2 工況Ⅱ

工況Ⅱ—模擬立管的上扣過程，計算最佳上扣扭矩。實際計算時，上扣過程用過盈量來模擬。根據設計要求，立管在上扣到理想工作位置時各接觸面的干涉量是一定的。根據設定的過盈量，可以計算出立管接頭的應力分布以及接觸面上各節點的接觸力。不考慮小螺紋升角的影響，上扣扭矩應完全由密封面、臺肩面及嚙合面上的切向摩擦力所提供的反扭矩來平衡。通過Abaqus有限元軟件計算，可以得出過盈配合時嚙合面上的接觸反力，再由接觸反力計算出摩擦力，最后由摩擦力和半徑可得到最佳的上扣扭矩值。

2.5.3 工況Ⅲ

工況Ⅲ—各載荷下密封性能研究：①計算上扣載荷下，立管接頭上的應力分布，研究上扣載荷下螺紋密封性能；②計算上扣+內壓載荷，研究上扣+內壓載荷下螺紋密封性能；③計算上扣+拉伸載荷，研究上扣+拉伸載荷下螺紋密封性能；④計算上扣+內壓+拉伸載荷，研究上扣+內壓+拉伸載荷下螺紋密封性能。

3 生產立管有限元模型計算結果分析

3.1 工況Ⅰ

采用Abaqus軟件的后處理模塊，對有限元模型進行求解計算，生產立管工況Ⅰ條件下的應力云圖如圖4所示。

圖4 生產立管工況Ⅰ條件下的應力云圖

該工況下，應力最大處為公接頭管體處，其值為653 MPa，母接頭管體處的應力值與之相當，接箍螺紋處的最大應力只有584 MPa。這表明立管接箍的連接能力是優于管體的，即當管體已經處于屈服的時候接箍處的應力值還沒有達到，滿足了設計要求。

3.2 工況Ⅱ

通過設置過盈量模擬上扣過程，可以計算出上扣后各接觸面上的接觸壓力。不考慮小螺紋升角的影響，與上扣扭矩相平衡的反扭矩由各接觸面上的環向摩擦力提供，計算出接觸面上各節點的反力和半徑，由公式（1）可得出近似的上扣扭矩M。

式中：Fi—各節點接觸力，N；

Ri—各節點半徑，m；

μ—摩擦系數，鑒于螺紋表面鍍層以及螺紋脂的影響，取摩擦系數為0.02。

3.3 工況Ⅲ

該立管的設計載荷為：軸向拉力124.4 MPa，內壓35 MPa。在設計載荷作用下，接頭的密封面會發生復雜的變形，下面的分析基于公稱尺寸的上扣立管，在設計載荷情況下的計算結果。

立管上扣后，在拉伸和內壓工況下，其接觸段的接觸壓力也會隨之變化。為了保證連接密封，接觸壓力不可以有顯著降低。在此，影響接觸壓力的有兩個因素：①軸向拉力，軸向拉伸使得立管管體從接箍中有往外滑動的變形，這會導致密封段過盈配合量減小；②內壓，立管的內部壓力使得內外接頭均有膨脹變形，從而影響接觸壓力。

3.3.1 上扣扭矩載荷

該載荷下的有限元計算結果表明，主密封第二個節點處出現最大接觸力，其值為2.668×105N，扭矩臺肩接觸最大反力位置為節點為node757，最大接觸力為5.86×105N；該載荷下Mises最大應力為583 MPa，出現位置為節點為node535。

3.3.2 上扣+內壓載荷

該載荷下有限元計算結果表明，主密封第二個節點處出現最大接觸力，其值為4.186×105N，扭矩臺肩接觸最大反力位置為節點為node757，最大接觸力為6.037×105N；該載荷下Mises最大應力為564 MPa，出現位置為節點為node535。

3.3.3 上扣+拉伸載荷

該載荷下有限元計算結果表明，主密封第二個節點處出現最大接觸力，其值為2.646×105N，扭矩臺肩接觸最大反力位置為節點為node757，最大接觸力為5.348×105N；該載荷下Mises最大應力為520 MPa，出現位置為節點為node535。

3.3.4 上扣+拉伸+內壓

該載荷下有限元計算結果表明，主密封第二個節點處出現最大接觸力，其值為4.165×105N，扭矩臺肩接觸最大反力位置為節點為node757，最大接觸力為5.522×105N；該載荷下Mises最大應力為502 MPa，出現位置為節點為node535。

該載荷下有限元計算結果表明，螺紋處的最大應力值為283 MPa，小于許用應力，未產生塑性變形，因此可有效避免粘扣現象，滿足重復使用的要求。對于金屬密封的部位重點考察接觸壓力和接觸長度，主密封和臺階的接觸壓力云圖如圖5所示，該載荷下主密封長度為10.2 mm，為設計長度的93%，滿足設計要求；該載荷下扭矩臺肩密封長度為7.2 mm，為設計長度的81%。

圖5 上扣+拉伸+內壓載荷下主密封和臺階的接觸壓力云圖

3.3.5 各載荷下密封性能研究

各載荷下主密封各節點的接觸力分布如圖6所示。按照以下兩個原則對設計的海洋生產立管特殊螺紋主密封性能進行評價：①密封面的接觸壓力應大于其可能承受的內壓力；②上扣后密封面上的應力狀態應低于材料的屈服強度。

圖6 各載荷下主密封各節點接觸力分布

通過以上各載荷下有限元分析結果可得出以下結論：各載荷下密封性能滿足設計要求，接觸壓力最大的點都在757節點，即處于扭矩臺肩上；單軸拉伸的作用使得密封面的接觸壓力減小，但幅度不大；有內壓時公接頭的膨脹率要比母接頭大，使得公母接頭越壓越緊，密封面上接觸壓力隨內壓的增加而增加；拉伸載荷和內壓共同作用時，密封面上的接觸壓力呈增加趨勢，但是增加的幅度要比僅受內壓作用時小。

4 結 論

（1）設計了一種適應海洋生產立管接頭的特殊螺紋，建立了有限元接觸分析模型。計算對比接箍螺紋與管體強度，模擬立管的上扣過程，計算最佳上扣扭矩，研究了該模型在上扣扭矩、上扣和內壓、上扣和拉伸、上扣和拉伸及內壓四種載荷下密封性能。

（2）有限元分析結果表明，立管特殊螺紋的強度優于管體，單軸拉伸的作用使得密封面的接觸壓力減小，但幅度不大；內壓時公接頭的膨脹率要比母接頭大，使得公母接頭越壓越緊，密封面上接觸壓力隨內壓的增加而增加；拉伸載荷和內壓共同作用時，密封面上的接觸壓力呈增加趨勢，但是增加的幅度要比僅受內壓作用時小。

（3）有限元分析結果表明，立管特殊螺紋的強度優于管體，密封性能可靠，能滿足設計要求。

[1]李昌亮，田紅平，欒強.水下油氣裝備VGX鋼圈密封型面設計[J].石油機械，2016，44（12）：42-48.

[2]API RP 16Q—1993（R2010）,Recommended Practice for Design,Selection,Operation and Maintenance of Marine Drilling Riser Systems[S].

[3]石油專用管編輯部.特殊螺紋接頭專輯[M].西安：陜西科技出版社，1993.

[4]謝香山.油井管特殊螺紋接頭的發展[J].鋼管，2000，29（5）：9-12.

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[12]張居勤.國外油井管特殊扣的主要類型及特點[J].鋼管，2005，34（3）：56-60.

Finite Element Analysis of Special Thread for Marine Production Riser Joint

WANG Yaofeng1,2， LI Aili1,2， LIU Yuanbo1,2， YANG Hu1,2，ZUO Qichuan1,2， ZHOU Yahui1,2， LI Xiuzhen1,2
（1.Baoji Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721001， Shaanxi， China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center， Baoji 721001， Shaanxi， China）

In order to adapt to the harsh conditions of marine underwater production riser,a kind of top tensioning production riser threaded joint was designed,and the related mechanical analysis to this threaded joint were conducted by adopting finite element contact analysis model.Calculated and compared coupling thread and pipe body strength by Abaqus finite element software,simulated the make-up process of riser,calculated the best make-up torque,and simulated the sealing performance of the model under four kinds of loads,such as upper buckle torque,upper buckle and internal pressure,upper buckle and stretch,upper buckle and stretch and internal pressure.Finite element analysis results indicated that the sealing surface contact pressure increases with the increase of internal pressure,the uniaxial tensile load makes the sealing surface contact pressure reduce,the contact pressure on the sealing surface shows an increasing trend when the tensile load and internal pressure are combined,but the increase extent is smaller than that of the internal pressure.The strength of this marine production vertical pipe special threads is better than pipe body,the sealing performance is reliable and meets the design requirements.

special thread； marine production riser； finite element analysis

TE951

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.001

國家863計劃項目“深水鉆井隔水管系統工程化研制”（項目編號2013AA09A222）；工信部海洋工程裝備科研項目“海洋鉆井平臺用深海隔水管系統研究及關鍵部件研制”。

王耀鋒（1980—），男，陜西寶雞人，工程師，2009年畢業于西安石油大學，碩士，主要從事海洋水下石油裝備的研究。

2017-05-26

編輯：謝淑霞