基于ISO 13679熱循環試驗要求的套管特殊螺紋強度分析

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(1.陜西國防工業職業技術學院，陜西 戶縣 710300；2.西安石油大學，西安 710065；3.西安摩爾石油工程實驗室，西安 710065)

·試驗研究·

基于ISO13679熱循環試驗要求的套管特殊螺紋強度分析

白松1，張建兵2，杜志杰3

(1.陜西國防工業職業技術學院，陜西 戶縣 710300；2.西安石油大學，西安 710065；3.西安摩爾石油工程實驗室，西安 710065)

依照ISO 13679《套管和油管接頭試驗程序推薦作法》CAL Ⅲ C系熱循環試驗程序，采用Abaqus有限元分析軟件，對JIP ?177.8 mm×10.36 mm規格P110鋼級新型套管特殊螺紋的強度進行分析評價。考慮接觸問題計算的非線性，建立了套管特殊螺紋熱力耦合有限元模型，對接頭的C系加載路徑進行了簡化，計算了接頭在10個階段的應力場與溫度場耦合作用下的熱應力。結果顯示：隨著溫度由低溫到高溫的變化，特殊螺紋部分螺牙、接箍中面等塑性變形加大；而局部由于高、低溫反復作用可能會產生組織的變化，使先前本應屈服的區域強度反而提高，但特殊螺紋整體上在C系加載完成后仍能保持結構完整；高溫狀態，材料的屈服強度降低，其變形更多的處于彈性變形階段，室溫狀態時特殊螺紋的關鍵部位發生屈服的可能性更大。通過計算機仿真評價方法，按照ISO 13679的試驗內容和程序對特殊螺紋進行評價，可以大幅節約時間與經濟成本，可在一定程度上代替接頭的實物評價。

套管；特殊螺紋；強度；熱-力耦合；有限元

隨著油氣開采不斷向深井、超深井、大位移井、叢式井等新型復雜井發展，油氣田對油套管的性能要求也越來越高，而油套管特殊螺紋作為連接管柱的重要環節，其性能的可靠性至關重要。

一般分析特殊螺紋性能的方法有解析法計算、實物試驗驗證、有限元分析等。由于特殊螺紋幾何外形的復雜性，解析法在多種假設的條件下仍很難建立精確的計算模型。試驗法主要以ISO 13679 《套管和油管接頭試驗程序推薦作法》[1]，采用全尺寸試驗，對特殊螺紋進行性能進行評價[2]。

ISO 13679對試驗設備要求極高，對試驗所用試樣、試驗條件的要求苛刻。同時，國內僅有國家石油管材質量監督檢驗中心和國家石油天然氣管材工程技術研究中心等極少數單位具備開展該評價試驗的硬件條件和檢驗資質。

近年來，國外的住友金屬、泰納瑞斯、GE石油天然氣集團等[3-5]機構的相關學者已將有限元分析技術應用于特殊螺紋的氣密封性評價、疲勞設計、強度分析等方面。國內高校學者如申昭熙、許志倩、祝效華、竇益華、高連新等[6-13]也已將計算機有限元分析用于特殊螺紋的研究工作之中。他們大多著眼于特殊螺紋的結構對其某一方面的技術參數的影響規律的分析，這些研究對新型螺紋油套管的開發提供了很好的指導價值，但按照ISO 13679的試驗內容和程序對油套管特殊螺紋性能所進行的系統性的仿真評價還基本沒有涉及。

本文以JIP ?177.8 mm×10.36 mm P110鋼級的套管特殊螺紋為分析對象，按照ISO 13679的C系熱循環試驗程序和方法，對該套管螺紋的強度進行分析。

1 C系熱循環試驗簡介

熱循環試驗的目的是評估在服役條件下，以及拉伸和內壓加速作用下的特殊螺紋在熱循環時泄漏的可能性，而在實際試驗過程中特殊螺紋在熱力耦合作用下其強度早已發生了變化。

熱循環加載程序如圖1所示。對于試驗高溫段，在要求溫度或更高溫度下至少保持5 min；對于試驗低溫段，在要求溫度或更低溫度下至少應保持5 min。對于CAL Ⅱ、Ⅲ級試驗，試驗高溫應不小于135 ℃(275 ℉)；對于CAL Ⅳ級試驗，試驗高溫應大于或等于180 ℃(356 ℉)。對于所有適用等級的試驗，試驗低溫應小于或等于52 ℃(125 ℉)。每個循環最短時間為30 min，循環可連續進行，也可間斷進行。

室溫下最大機械載荷規定：①拉伸載荷取80%管體(或接箍)屈服載荷和80%特殊螺紋試驗包絡線載荷之中的較小者，兩者都是基于材料室溫屈服強度得到的；②內壓載荷取95% VME管體(或接箍)屈服載荷和95%特殊螺紋試驗包絡線載荷之中的較小者，兩者都是基于80%拉伸載荷和室溫下材料屈服強度得到的。

試驗高溫最大機械載荷規定：①內壓與室溫下的內壓相同；②拉伸載荷取90% VME管體(或接箍)屈服和90%特殊螺紋應力試驗包絡線載荷之中的較小者，兩者都是基于材料室溫屈服強度得到的。

2 C系載荷設計

考慮到實物試驗操作的復雜性，試驗周期長，所以在利用有限元方法模擬C系試驗時，簡化試驗步驟，縮短試驗時間。將C系試驗程序設計為室溫下的內壓和拉伸交變作用下5次循環、在內壓和拉伸作用一定時施加循環熱載荷50次、高溫下的內壓和拉伸交變作用下5次循環，然后再重復熱循環50次和室溫下載荷循環5次，為方便載荷過渡，模仿實物試驗情況設計了升溫、保載、卸載、冷卻等過程。針對JIP-7特殊螺紋的試驗載荷如表1。

表1 套管特殊特殊螺紋C系熱循環試驗載荷

表1(續)

3 套管特殊螺紋熱力耦合模型

采用有限元方法模擬計算熱力耦合問題有兩類方法：①間接耦合法。是指按照順序進行多次不同場分析，熱力耦合中先計算在溫度場中隔單元的節點溫度，然后將節點溫度當作第2次計算的初始條件，在應力場分析中實現耦合；②直接耦合法。指利用同一計算環境中包含多個場變量，利用能夠實現不同場自由度的單元實現耦合，通過一次計算得到分析的結果。本文計算過程中采用準靜態計算，分析步驟是在恒定溫度下設定的，而不是溫度場和應力場的解分離，溫度場和位移場之間的兩個變量相互影響。

根據以前的試驗規律，隨溫度升高材料的屈服強度降低，塑性變形加強，故假定在高溫段管體和接箍材料的屈服強度下降10%，塑性擴大2倍。材料力學性能如表2。套管特殊螺紋管體和接箍材料的密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，引入線膨脹系數、比熱容系數、泊松比、彈性模量等參數，如圖2。

表2 套管特殊特殊螺紋與溫度相關的材料力學性能

a 泊松比

b 彈性模量

c 線膨脹系數

d 比熱系數

為提高計算效率和精度，采用四節點雙線性軸對稱四邊形縮減積分單元CAX4R，而CAX4R單元是能夠同時承擔位移場與溫度場自由度的單元[14]。由于接觸問題本身邊界條件復雜，具有不確定性，因此采用縮減積分單元可能會出現的單積分點線性單元受力變形沒有產生應變能的情況(零能量模式)，此時單元沒有剛度，所以不能抵抗變形，故采用沙漏控制hourglass control，施加虛擬的剛度以限制沙漏模式的擴展[15]。在網格劃分時，考慮到隱式求解的計算成本與自由度數的平方成正比，故只在套管特殊螺紋的螺紋牙處、密封面、臺肩處局部細化。最終得到管體部分單元數5 043個，節點數5 366個，接箍部分單元數5 220個，節點數5 569個，有限元網格模型如圖3所示。

圖3 套管特殊螺紋有限元網格模型

4 結果及分析

套管特殊螺紋結構上發生損傷的部位發生在不完整螺紋段、特殊螺紋端面頂點附近、接箍中面等，故在對特殊螺紋C系熱循環分析時，重點討論第1、17牙螺紋、密封面和臺肩面。

套管特殊螺紋在C系熱循環下關鍵位置等效應力值如表3，等效應力云圖如圖4。

第1次室溫下載荷循環5次后等效應力分布如圖4a，可見特殊螺紋外螺紋最后幾牙螺紋局部發生了屈服，但整體應力分布比較均勻、合理；加熱升溫后等效應力分布如圖4b，明顯發現接箍中部、管體端部應力相對較高，局部單元已屈服，接箍中面有脹破的趨勢。對比圖4a與4b可見，由于該特殊螺紋設計的接箍材料強度低于管體，溫度升高后特殊螺紋接箍可能先發生破壞，加熱升溫過程是伴隨著卸載的，此時特殊螺紋管端附近應力反而增大至784.5 MPa，螺紋牙應力下降至300.0 MPa左右。分析其原因，是由于溫度升高，特殊螺紋材料屈服強度降低，變形增大，而在施加拉伸載荷的一側卸載，螺紋段產生的變形反而傳遞到管端，使密封面與臺肩面產生壓縮效應，應力增大。

第1次保載后，等效應力分布如圖4c，保載施加拉伸載荷后特殊螺紋整體應力水平明顯提高，在第1、16、17、18牙螺紋附近、接箍端部附近都有局部屈服發生，但特殊螺紋整體變形并不明顯。

第1次拉伸+內壓下熱循環50次后等效應力分布如圖4d。與圖4c對比可見，50次溫度循環下整體應力水平反而降低，管體部分應力水平稍有提高，且分布不均。分析可知高、低溫載荷反復作用50次后，特殊螺紋先前屈服部分可能已經發生組織變化，部分區域強度已將提高，而管體由于整體尺寸較長，強度變化區域也不一致，所以出現應力分布不均現象。

卸載后溫度載荷并沒有變化，其應力分布如圖4e，特殊螺紋整體應力變化降低，只在管體端點附近和接箍中部表面有發生屈服的趨勢，特殊螺紋管端附近應力增大至755.0 MPa，螺紋牙應力下降至250.0 MPa左右，原因類似于加熱升溫過程。高溫下拉伸與內壓載荷循環5次應力分布如圖4f，特殊螺紋應力分布合理，沒有屈服現象發生，特殊螺紋整體應力水平都有所增大，管端附近稍微減小為748 MPa，這是由于高溫下再次施加載荷后特殊螺紋螺紋段再次承受較大載荷，螺紋牙相互之間的壓縮變形增大，傳遞至管端后密封面和臺肩面承受的壓縮變形減小，應力水平稍有下降。

第2次保載，施加了拉伸載荷后等效應力分布如圖4g，與圖4f對比可見，特殊螺紋應力變化比較明顯，只在螺紋段最后幾牙附近產生了局部屈服，分析可知施加軸向載荷對螺紋連接的影響較大，尤其對螺紋牙的軸向剪切作用。

第2次拉伸+內壓下熱循環50次后等效應力分布如圖4h，與圖4d對比可見，特殊螺紋應力整體變化水平不高，反而第2次在接箍中面的屈服趨勢更明顯，對比第1次拉伸+內壓的熱循環50次，發現管端密封面與臺肩面應力稍有下降，變形仍處于彈性階段，這是由于在多次循環載荷作用下，特殊螺紋材料處于疲勞損傷狀態。

冷卻后特殊螺紋的等效應力分布如圖4i，冷卻的過程性相當于卸掉包括溫度在內的所有載荷，特殊螺紋應力水平明顯降低。

第2次室溫下載荷循環5次后等效應力分布如圖4k，特殊螺紋應力水平明顯下降，各部分布都較合理，僅在接箍中部外表面出現應力集中，但不會發生斷裂。

表3 套管特殊特殊螺紋C系熱循環下關鍵部位等效應力值 MPa

a 第1次室溫下載荷循環5次后等效應力分布

b 加熱升溫后

c 第1次保載后

d 第1次拉伸+內壓下熱循環50次后

e 卸載后

f 高溫下載荷循環5次后

g 第2次保載后

h 第2次拉伸+內壓下熱循環50次后

i 冷卻后

k 第2次室溫下載荷循環5次后

5 結論

1) 按照ISO 13679 CALⅢ C系熱循環試驗的實物評價程序和要求，采用有限元方法對套管特殊螺紋進行了計算機仿真評價。接頭連接的邊界條件復雜，屬于彈塑性接觸非線性問題，本次分析又考慮了溫度場和應力場的耦合作用，分析計算具有一定的代表性和難度。限于篇幅，本文僅進行了熱循環試驗評價，未進行載荷包絡線評價，但作為一種方法上的探索，足以說明采用有限元仿真評價方法按照ISO 13679程序要求進行復雜載荷下特殊螺紋的強度分析是可行的，采用仿真評價手段可以大幅地減少特殊螺紋力學評價的經濟成本和時間。

2) 在第1、17牙螺紋、密封面、臺肩面等部位可能發生屈服，整個過程中應力水平變化較大。隨著溫度由低溫變至高溫的變化，管體與接箍的屈服強度下降，部分牙螺紋、接箍中面等塑性變形加大，而局部由于高、低溫反復作用可能會產生局部組織的變化，使先前本應屈服的區域強度反而提高，但整體上在C系加載完成后仍能保持結構完整。說明特殊螺紋要想安全通過C系熱循環試驗，有必要改善不完整螺紋段表面的強度，增強接箍所用材料的強度。

3) 套管特殊螺紋在C系熱循環作用下的高溫狀態，材料的屈服強度降低，其變形更多的處于彈性變形階段，室溫狀態反而特殊螺紋的關鍵部位發生屈服的可能性更大。但考慮到C系載荷循環的交替進行，實際上反映在特殊螺紋上的塑性損傷積累作用更加明顯，特殊螺紋實際的變形也更大。

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StrengthAnalysisofCasingPremiumJointBasedonISO13679ThermalCycleTest

BAI Song1，ZHANG Jianbing2，DU Zhijie3

(1.ShaanxiInstituteofDefenseIndustryProfessionalTechnology，Huxian710300，China；2.Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；3.Xi’anMaurerPetroleumEngineeringLaboratory，Xi’an710065，China)

In this paper，according to the“ISO 13679-casing and tubing joint test procedure recommended practice”the C series thermal cycle test procedure，abaqus finite element analysis software was used to evaluate the strength of a new type of casing special joint JIP ?177.8 mm× 10.36 mm P110.Considering the nonlinearity of the calculation of the contact problem，a finite element model of the special joint of the casing is established.The C-loading path of the joint is simplified，and the thermal stress of the joint under the coupling of the stress field and the temperature field is calculated and analyzed.The results found in this research include：As the temperature changes from low temperature to high temperature，the plastic deformation of the joint part of the thread and the middle of the coupling increases，and the local and high temperature may cause the change of the organization structure due to the high and low temperature.But on the whole，after the completion of the C series thermal cycle test is completed to maintain the integrity of the structure.In the high temperature state，the yield strength of the material decreases，and its deformation is more in the elastic deformation stage.At room temperature，the key part of the special buckle is more likely to yield.It is recognized that proper computer simulation can be applied to effectively evaluate the gas-tight seal connections in accordance with test content and procedures of the ISO 13679，which greatly saves time and economic cost and can replace the evaluation on full-scale test of connections to a certain extent.

casing；premium joint；strength；thermo-mechanical coupling；finite element

1001-3482(2017)06-0040-07

2017-06-01

國家自然科學基金項目“膨脹套管螺紋連接幾何、材料與接觸非線性工作特性研究”(51074126)；陜西省教育廳項目“石油膨脹套管螺紋連接結構與密封完整性非線性數值模擬研究”(11JK0792)

白 松(1991-)，男，碩士，2017年畢業于西安石油大學，主要研究方向為計算機輔助工程，E-mail：howard257@163.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.009