油管特殊螺紋接頭上扣后密封性仿真研究

白 松

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300）

在油氣田的勘探開發中，油套管通常通過接頭連接成井深所需長度來實現油氣資源的開采，因此接頭性能是油套管管柱的重要質量指標之一。特殊螺紋接頭憑借其特殊的結構特點和優越的密封性能，能夠更好地服役于高壓、高溫聯合作用下（HPHT）的復雜井況，因此成為油田惡劣工作條件下的首選產品。

特殊螺紋接頭通常使用偏梯型螺紋來滿足整個管柱結構能達到相同的強度要求，在徑向方向采用金屬對金屬的密封形式（見圖1）。除此之外，許多特殊螺紋接頭還包括一個扭矩臺肩的密封區域來控制上扣扭矩。

圖1 特殊螺紋接頭示意圖

本文對具有代表性的油套管接頭Φ114.3×8.56 mm P110上扣后的密封性能進行仿真研究，以期確定合理的套管接頭密封性評價方法。

1 密封性仿真評價參數

經分析，選定以下參數作為仿真評價特殊扣密封性能的主要依據[1]：

（1）最大接觸壓力。本文分析的特殊扣的主密封為金屬-金屬的密封，接觸面金屬間的過盈為其密封機理，即接觸壓力越高，其密封能力越強。特殊扣金屬材料的泊松比、上扣變形和介質壓力直接影響密封副間的接觸壓力。防止泄漏最主要的條件是金屬面之間的間隙為0，若使密封面間隙為0，則密封面間的最大接觸壓力應大于密封介質的壓力。其中上扣變形與介質壓力共同作用下的接觸壓力模型為式（1），滿足密封系統不泄漏的條件是式（2）。

式中：pm-密封耦合面的最大接觸壓力，MPa；q0-預緊變形后耦合面的最大接觸壓力，MPa；pmax-工作介質作用下的最大壓力，MPa；p-介質壓力，MPa。

（2）密封積分強度。本文分析的特殊扣在密封臺肩部位構成金屬-金屬的密封，這里采用密封積分強度來表征其密封性能。密封積分強度不僅考慮了接觸壓力的影響，還引入了接觸長度。

式中：W-密封積分強度，MPa·mm；pn-單元接觸壓力，MPa，與p無直接關系；L-接觸長度，mm。

（3）等效應力。為保證密封面不發生塑性變形以及特殊扣的結構完整性，應使特殊扣各部位的等效應力小于材料的強度極限。

2 油管特殊螺紋接頭有限元模型

進行分析的油管規格接頭為：Φ114.3×8.56 mm P110，分析中，接頭的有限元模型基于大型商業軟件ABAQUS建立。

2.1 結構模型

建模及分析過程中，本報告中模型均采用接頭名義尺寸建立?？紤]到接箍及管體的軸向對稱特性，且螺紋的螺旋升角非常小（小于0.6°），可將接頭簡化為二維軸對稱模型。其中，接箍沿軸向取其一半長度；為消除邊界效應，管體不帶螺紋的部分長度應大于。

為保證計算精度，網格劃分中采用CAX4R和CAX3單元。考慮到螺紋、密封面和臺肩部位存在的過盈量以及接觸分析的需要，在這些部位需要對模型網格進行細化，從而保證更準確和可靠的分析結果[2，3]。

2.2 材料模型

分析過程中，接頭和管體材料均假定為各向同性強化材料，材料模型的數據取自材料的實際拉伸性能曲線，并進行了歸一化處理。為保證與實際情況相一致，有限元分析所采用的材料性能曲線應為真實應力-應變曲線，需要根據從試樣獲得的工程應力-應變曲線采用如下公式進行轉化處理[4]：

式中：σtrue-真實應力；-真實應變；σnom-工程應力；εnom-工程應變；E-楊氏模量。據此得到的材料真實應力-應變曲線（見圖2）。

其中，材料的屈服強度為758 MPa，楊氏模量為200 GPa，泊松比為 0.3。

2.3 邊界條件

考慮到軸對稱模型的特性，對接箍中面做軸向位移約束，即：

圖2 材料真實應力-應變曲線

2.4 上扣條件

無論是在油田還是在實驗室內，油套管接頭的上扣都是由液壓大鉗完成，上扣過程需要扭矩和位置的控制。對特殊螺紋接頭尤其如此，并且特殊螺紋接頭還需要有特定的臺肩拐點扭矩。

有限元計算分析中，采用臺肩軸向過盈來控制求解特殊螺紋接頭的接觸問題，從而獲得接頭上扣的最終位置狀態，采取Interference Fit分析功能可進行接頭上扣分析計算[4]。

2.5 網格劃分

由于套管接頭幾何形狀近似是軸對稱的，因此在ABAQUS中采用軸對稱單元對模型進行網格劃分。根據接頭的受力特點，可知研究的重點是在密封部位和內外螺紋嚙合牙上，故在接頭的螺紋處、密封面、臺肩處網格細化（見圖3）。

3 仿真結果分析

3.1 接觸壓力

特殊螺紋接頭的主密封面接觸壓力計算結果（見圖4（a）），最大接觸壓力出現在沿密封面頂點投影點的1.37 mm處，大小為1 809.7 MPa，同時確定密封寬度為1.54 mm；輔助密封面臺肩面接觸壓力計算結果（見圖4（b）），最大接觸壓力出現在沿臺肩面距頂點的5.87 mm處，大小為1 294.1 MPa，同時確定密封寬度為4.58 mm。

3.2 密封積分強度

由式（3）可計算主密封面與輔助密封面的密封積分強度（見表1）。

表1 名義尺寸下，主密封面和臺肩輔助密封面的接觸應力情況

3.3 等效應力

接頭上扣結束狀態下的等效應力分布圖（見圖5），可以發現在上扣后油管接頭密封部位出現了應力集中，頂點處尤為明顯，其最大等效應力為7；螺牙部位前2牙外螺紋的齒根與內螺紋的齒頂過渡嚙合，有粘扣的趨勢，但螺牙大部分結構完整，應力分布合理；內螺紋接箍部分中面無斷裂趨勢，整體應力分布合理。說明油管在上扣后不會發生斷裂的危險。

圖3 油管螺紋特殊扣網格模型及局部細化

圖4 上扣結束后的接觸壓力分布（名義尺寸、室溫）

圖5 上扣結束后的等效應力圖（名義尺寸、室溫）：（a）密封面附近；（b）接頭整體

4 結論

（1）通過不同的評價參數，分析可以發現Φ114.3×8.56 mm P110油管接頭在最終上扣后，接頭主密封面和輔助密封面的接觸壓力分布合理，密封寬度較長，最后算得的密封積分強度較大，同時接頭上扣后的等效應力分布合理沒有斷裂的趨勢，說明油管接頭上扣后保證在完整性前提下仍能維持一個較好的密封性能。

（2）采用多角度的評價參數計算，不僅可以觀察油管在未發生結構失效的前提下研究密封性，還可以節約實物試驗的巨大花費，為油管結構設計提供快速的理論指導。