有限元模擬仿真在特殊螺紋接頭設計開發中的應用

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(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

·開發設計·

有限元模擬仿真在特殊螺紋接頭設計開發中的應用

孫建安，王琍，張忠鏵

(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

特殊螺紋接頭在油氣開采中起著連接并密封管柱的作用，在開發過程中需要經過嚴格的測試。而有限元方法的應用可以減少這些環節，提高效率。通過有限元分析方法研究特殊螺紋接頭的結構完整性及密封完整性，分析了寶鋼BGT2特殊螺紋接頭在100%壓縮載荷以及循環載荷作用下的接頭性能，以及同規格產品在小接箍尺寸下的接頭性能。分析結果表明寶鋼BGT2產品滿足100%壓縮載荷要求，同時在循環載荷下具有穩定的氣密封能力；同規格小接箍產品與常規產品相比較密封性能未有下降。

油井管；特殊螺紋接頭；有限元

0 引 言

在油氣開采中特殊螺紋接頭產品的應用越來越廣泛。與API標準螺紋接頭產品相比，特殊螺紋接頭具備更高的連接強度，更好的密封性能，能夠滿足管柱在復雜井況條件下面臨的拉伸、壓縮、扭轉、外壓、內壓、彎曲、高溫、腐蝕等苛刻載荷條件。

特殊螺紋接頭產品一般由三部分組成：齒形、密封結構、擰接控制臺肩[1]。這三部分包含了眾多的尺寸參數，例如齒形中包含參數有螺紋中徑、齒高、螺距、錐度、齒厚、齒形角度、圓弧半徑等；密封結構的主要設計參數有徑向尺寸、長度、角度、圓弧半徑、過盈量等；擰接臺肩主要有直角臺肩和負角度臺肩以及雙臺肩等結構形式，主要參數有角度、直徑尺寸等。這些參數之間相互影響、相互作用，存在多種耦合關系。以接頭連接效率為例，它與接頭危險截面尺寸直接相關，而危險截面尺寸又受到螺紋中徑影響；除此之外，螺紋本身形狀、齒高、嚙合長度也對連接效率產生重大影響。因此，特殊螺紋接頭設計是一個非常復雜的過程，需要充分考慮到各個參數的影響，從而實現接頭的最優設計。

在這個過程有限元模擬仿真發揮了重大作用。借助有限元工具可以完成螺紋接頭在不同工況條件下的性能分析，對不同尺寸參數進行對比驗證，實現接頭優化設計。同時，利用有限元模擬仿真可以減少特殊螺紋接頭實物驗證試驗，提高設計開發效率。

1 特殊螺紋接頭產品

特殊螺紋接頭產品種類繁多。美國的Atlas Brandford和Hvdril公司于20世紀30年代初最早成功開發出特殊螺紋接頭，并申請了專利，之后各大公司相繼開發出各自品牌型號的特殊螺紋接頭。目前，國外已有30多家著名的油井管制造廠商開發了100多種享有專利權的特殊螺紋類型，例如VAM系列、Hunting系列、Tenaris Hydril系列、FOX系列等產品。

國內特殊螺紋接頭生產廠家主要有寶山鋼鐵股份有限公司、天津鋼管集團股份有限公司、衡陽華菱鋼管有限公司等。

寶山鋼鐵股份有限公司從事特殊螺紋接頭產品設計、開發、制造已經有近二十年經驗，產品涵蓋了接箍式和直連型兩大類十多個系列，占領了國內較大市場份額，遠銷海外十多個國家。寶鋼特殊螺紋接頭產品有BGT1、BGT2(產品結構如圖1所示)、BG-FJ、BG-PT、BG-PC、BHC等系列，具體產品信息見表1。

圖1 BGT2產品結構示意圖

接頭名稱類型特點密封特性應用范圍規格范圍/in*拉伸壓縮內壓外壓BGT2接箍式最優性能●油管、套管、尾管、回接管2～14100%100%100%100%BG-PT/PC接箍式經濟型產品◎油管、套管、尾管、回接管2～13100%100%100%100%BHC接箍式快速上扣○套管8～20100%100%100%100%BGT2C接箍式高抗擠毀●套管5～7100%100%100%100%BG-DWC接箍式鉆井用套管●套管7～13100%100%100%100%BGT-2W接箍式快速上扣●套管9～13100%100%100%100%BG-FJ直連型最大環空●套管、尾管2～1145%～58%30%100%100%BGT2T半直連型高抗扭●作業油管2～4100%100%100%100%BG-CC半直連型大環空◎作業油管、尾管2～670%～80%60%100%100%BG-FC直連型最大環空◎作業油管、尾管2～1152%～60%40%100%100%

注：●——高氣密封產品；◎——低壓氣密封產品；○——非氣密封產品。*1 in=25.4 mm

天津鋼管集團股份有限公司主要產品有TP-CQ、TP-G2等特殊螺紋接頭產品，衡陽華菱鋼管有限公司公司主要有HSM-1、HSM-2等特殊螺紋接頭產品，應用也較為廣泛。

2 特殊螺紋接頭有限元模型的建立

寶鋼在特殊螺紋接頭開發過程中充分利用了有限元工具。有限元方法是利用數學近似對真實物理系統進行模擬的計算方法。通過合理設計模型可以非常高效的解決復雜的實際問題。

2.1 模型簡化

特殊螺紋接頭是一個復雜的三維結構，螺紋分布在一個是空間螺旋錐面上，且帶有螺旋升角。對特殊螺紋接頭的模擬仿真可以分為三維空間模型和二維軸對稱模型兩種。三維空間模型可以較好地模擬螺紋的空間布置及螺旋升角，同時能夠真實模擬上扣旋轉擰入過程。然而由于三維模型網格數量多接觸復雜，計算效率低，同時網格細化不足，精度較差，尚難以滿足工程應用需要[2]。

通常的特殊螺紋接頭都簡化為二維的軸對稱平面問題進行處理。通過這種簡化可以大幅度提高網格精細程度和計算效率，滿足結構設計需求[3],如圖2所示。

2.2 載荷條件

特殊螺紋接頭在實際使用中主要面臨的載荷有拉伸、壓縮、外壓、內壓、彎曲、扭轉、高溫等。其中拉伸、壓縮、外壓、內壓及高溫可以利用邊界載荷較容易模擬；彎曲載荷通過對軸對稱模型施加非軸對稱載荷可以獲得，扭轉通過用施加過盈量的方法近似模擬[4,5]。

圖2 特殊螺紋接頭有限元模型

2.3 網格劃分

劃分網格是有限元分析的重要環節，網格的數量和質量將直接影響有限元模型求解的精度和效率。特殊螺紋接頭尺寸一般達到100～500 mm，而其中密封面、螺紋等細微結構尺寸精度達到0.01 mm，所以特殊螺紋接頭有限元模型網格劃分中應合理考慮網格密度，設置一定的疏密過渡原則，既要避免網格數量過少影響局部計算精度，也要防止因網格過多計算效率低不易收斂[6]。一般密封面結構網格尺寸0.10 mm左右較為合適；螺紋結構網格尺寸0.30 mm較為合適；其他部位網格可適當稀疏。

2.4 材料模型及邊界條件

為保證分析的結果和精度，有限元模型中材料屬性及約束條件應盡可能與實物相吻合。為此可以針對具體待驗證產品進行材料性能分析，從而得到比較精確的結果。

3 有限元模擬仿真的應用

3.1 壓縮載荷下特殊螺紋接頭性能分析

壓縮載荷是油井管在井下服役過程中最常見的載荷條件之一，特別對于套管而言，在遇阻、固井、受熱膨脹等條件下經常承受壓縮載荷。對于套管特殊螺紋接頭而言在最大壓縮載荷條件下的密封性能是產品的重要性能指標之一[7]。寶鋼BGT2產品在設計開發過程中通過結構優化提升了接頭本身抗壓縮能力，在100%管體壓縮載荷條件下保證了完好的密封性能。以寶鋼某規格 BGT2產品為例對接頭100%壓縮載荷條件下受力狀態進行分析，結果如圖3所示。

圖3 寶鋼某規格BGT2接頭100%壓縮載荷下應力應變狀態

接頭壓縮載荷的作用下，接箍環向受拉應力作用，接觸段管體受壓應力作用。在100%加載狀態下接頭未發生變形或失效。

參照ISO 13679—2002標準CAL IV等級對該該規格BGT2接頭進行加載，加載點見表2及圖4。不同載荷條件下接頭的接觸積分強度見圖5。

表2 參照ISO 13679—2002標準的加載點載荷條件

圖4 參照ISO 13679—2002標準的加載點示意圖

圖5 某規格BGT2接頭不同載荷條件下的接觸積分強度

通過圖5可知該規格BGT2接頭經過100%壓縮加載仍能保持完好的密封面接觸條件，具備密封能力。表3對比了國內外幾種主流接箍式特殊螺紋接頭的最大壓縮載荷與管體屈服強度的百分比，從中可以看出寶鋼BGT2接頭抗壓縮性能優于國內外同類產品。

表3 不同螺紋接頭的最大壓縮載荷

3.2 循環載荷下特殊螺紋接頭性能分析

油套管在服役過程中所承受的載荷都不是一成不變的，而是隨時間在各種載荷之間切變。這種情況就需要考慮特殊螺紋接頭在不同載荷交變施加下的承載能力[8,9]。而借助有限元工具可以非常便捷地完成循環載荷作用下的接頭性能分析。圖6展示了同規格BGT2接頭在循環施加ISO 13679—2002標準CAL IV等級載荷要求下的密封面接觸積分強度。加載點參照圖4及表2進行循環加載，循環5次。

圖6 循環加載下接頭的密封面接觸積分強度

從圖中可以看出該規格BGT2接頭在循環加載條件下仍然具備完好的密封能力，從第2次加載開始以后的多次循環過程中密封面保持了穩定的接觸狀態，未發生變化。

3.3 特殊間隙接箍特殊螺紋接頭性能分析

一般情況下，固井間隙(單邊)最小應該不小于12.7 mm，否則固井質量難以保證[10]。由于普通套管的接箍外徑一般比管體大12.7～38.1 mm，這就導致接箍的環空間隙值遠低于管體。油氣田經常選擇接箍外徑較小的特殊間隙套管(Special Clearance Coupling)，以增大接箍部位的固井間隙提高固井質量[11]。為此寶鋼針對性開發了BGT2-SC系列特殊間隙接箍產品。圖7為同一規格BGT2-SC90接頭在ISO 13679—2002標準CAL IV等級要求載荷條件下的密封面接觸積分強度。加載條件見表4及圖8。

圖7 某規格BGT2-SC90接頭密封面接觸積分強度

加載點軸向拉/壓載荷內壓外壓kNkipsMPapsiMPapsi加載點描述123115200000T(85%)2231152083.41208800T(85%)+IP3217548987.11262700T(80%)+IP4114325797.31411000IPmax500891290400T(0)+IP6-907-20471.71039000C(33%)+IP7-1812-40743623300C(67%)+IP8-2311-52018.9274700C(85%)9-2311-5200000C(85%)10-2311-5200068.79955C(85%)+EP11-1359-3060068.79955C(50%)+EP12000068.79955C(0)+EP138972020058.88532T(33%)+IP1418224090037.05366T(67%)+IP

對比圖5和圖7可以看出，BGT2-SC系列接箍雖然減少了接箍外徑，降低了接頭的拉伸強度，但其密封接觸狀態變化不大，仍然滿足100%管體密封能力要求。

4 結 論

1)使用有限元工具對寶鋼BGT2系列特殊螺紋接頭產品進行了分析和研究。分析結果表明寶鋼BGT2系列特殊螺紋接頭在100%壓縮條件下仍具有較好的密封性能，滿足100%壓縮載荷承載要求。

2)通過有限元方法對寶鋼BGT2系列特殊螺紋接頭進行循環載荷加載，分析結果表明在循環載荷條件下該接頭具備穩定的氣密封性能。

3)利用有限元方法對于相同規格不同接箍外徑的BGT2產品進行了分析，分析結果表明常規外徑接箍和小尺寸外徑接箍密封性能相當，滿足產品使用要求。

4)在寶鋼特殊螺紋接頭產品開發過程中有限元工具可以直觀的分析和研究特殊螺紋接頭內部受力情況，有助于對特殊螺紋接頭性能的研究和探索。

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ApplicationofFEAinDesignandDevelopmentofPremiumConnections

SUNJian′an,WANGLi,ZHANGZhonghua

(BaoshanIron&SteelCo.Ltd.，Shanghai201900,China)

Premium connections connect and seal tubular strings in oil and gas exploitation, and would undergo rigorous testing in the design process. The FEA method can reduce the development cost and improve the development efficiency. The structural integrity and seal integrity of Baosteel BGT2 premium connections were studied by finite element method with 100% compression load and cyclic load. Smaller OD connections were also analyzed. The analysis results show that the BGT2 products meet the requirements of 100% compression load, and have a stable gas sealing capacity under cyclic load. The sealing performance of the products with smaller OD is equal to the regular ones.

tubular string; premium connection; FEA

孫建安，男，1983年生，工程師，2008年畢業于東北大學機械設計及理論專業，目前主要從事油套管特殊螺紋接頭產品技術研究。E-mail:sunjianan@baosteel.com

TE931

A

2096-0077(2017)06-0009-06

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.003

2017-04-10

屈憶欣)