錐面球面密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋有限元分析

張 樂，王建軍，賈飛鵬，楊尚諭

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，陜西西安 710077）

頁巖氣在開采時，由于壓裂工藝影響，管柱受到非均勻地應(yīng)力以及管內(nèi)交變載荷共同作用[1]，即便是使用具有連接強度高、密封性能好的特殊螺紋，螺紋漏失現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生。以長寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊普遍采用的P110套管為例，壓裂期間套變率達(dá)到50%左右，變形位置A點附近占47.6%，而在這些變形的套管中，一半以上與螺紋部位有關(guān)。對于此，現(xiàn)場將套管更換為高鋼級、大壁厚的Q125套管，與P110套管相比，變形問題雖然有所緩解，但是螺紋漏失現(xiàn)象仍然嚴(yán)重，可以看出螺紋部位服役性能的好壞對油氣田的正常開采起著至關(guān)重要的作用。

特殊螺紋連接性能依靠螺紋嚙合段實現(xiàn)，密封性能依靠密封結(jié)構(gòu)通過徑向配合的方式實現(xiàn)，不同密封結(jié)構(gòu)參數(shù)（錐面-錐面、錐面-球面、柱面-球面三種）對螺紋的密封性能影響非常大[2]。王建東等針對復(fù)合載荷下錐面-錐面、錐面-球面兩種特殊螺紋進(jìn)行研究，指出錐面-錐面結(jié)構(gòu)實際為2點密封，錐面-球面結(jié)構(gòu)為1點密封，并提出了新的密封準(zhǔn)則[3]。王建軍等通過有限元法與試驗法研究了注采管柱接頭的密封性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次壓縮后的管柱在進(jìn)行拉伸發(fā)生泄漏的概率更大[4，5]。曹銀萍等采用控制單一變量方法，對比研究了內(nèi)壓、軸向力復(fù)合載荷下特殊螺紋的連接強度和密封性能[6，7]。實際中井下管柱不僅有直井段，還有彎曲段存在，管柱會受到彎曲載荷的影響，對于此于洋研究了彎曲載荷下油管接頭的受力情況[8]。而曹夢雨則是根據(jù)管柱實際受載情況，模擬計算了軸向載荷與內(nèi)壓作用下特殊螺紋密封接觸壓力大小[9]。鑒于以上學(xué)者多是對于錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)螺紋的研究，而對錐面-球面密封結(jié)構(gòu)螺紋研究尚且不足。因此筆者以錐面-球面結(jié)構(gòu)為研究對象，利用ANSYS有限元軟件，通過APDL參數(shù)化語言建立錐面-球面特殊螺紋模型，重點分析管內(nèi)壓力一定時，軸向力對特殊螺紋連接部分和密封部分的影響。

1 有限元模型建立

選擇φ139.7 mm×12.7 mmQ125套管接頭建立特殊螺紋有限元模型，密封結(jié)構(gòu)為錐面-球面結(jié)構(gòu)，材料屈服強度862 MPa，泊松比0.3，彈性模量2.1×105MPa。內(nèi)螺紋牙高1.775 mm，外螺紋牙高1.575 mm，臺肩面角度為-15°，球面半徑9.2 mm，其余參數(shù)參考文獻(xiàn)[10]，螺紋為承載面緊密配合，導(dǎo)向面留有空隙?？紤]三維模型計算困難，結(jié)合特殊螺紋結(jié)構(gòu)特點，將特殊螺紋簡化為二維結(jié)構(gòu)，并假設(shè)套管和接箍材料相同，達(dá)到屈服極限后滿足等向強化，管體長度大于接箍長度的3倍。

特殊螺紋接頭的損壞屬于大變形問題，結(jié)合ANSYS軟件基本原理，將材料模型簡化為雙線性等向強化曲線模擬材料變形過程。選擇Plane183單元對錐面-球面結(jié)構(gòu)特殊螺紋進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對密封面、臺肩面、螺紋承載部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。采用Targe169,Conta172面-面接觸單元定義接觸，以設(shè)置密封面、臺肩面CNOF大小的方式模擬特殊螺紋上扣過程。圖1（a）為錐面-球面特殊螺紋有限元模型，圖1（b）為螺紋承載部分以及密封部分網(wǎng)格細(xì)化圖。

圖1

2 有限元仿真分析

經(jīng)過封隔器坐封的管柱，壓裂期間，在施工壓力、溫度以及管內(nèi)流體的影響下，會使管柱發(fā)生變形，而由溫度、管內(nèi)流體作用引起的變形都可以轉(zhuǎn)化為管柱的軸向變形。因此，將管柱受載簡化為內(nèi)壓+軸向載荷進(jìn)行研究。其中軸向拉伸載荷分別為200 MPa、400 MPa、600 MPa，軸向壓縮載荷分別為200 MPa、300 MPa、400 MPa，內(nèi)壓為 60 MPa。

2.1 上扣及復(fù)合載荷下特殊螺紋等效應(yīng)力分析

圖2 上扣及復(fù)合載荷作用下特殊螺紋Von Mises應(yīng)力云圖

上扣及復(fù)合載荷作用下特殊螺紋Von Mises應(yīng)力云圖（見圖2）。從圖2可以看出，上扣后特殊螺紋密封面處等效應(yīng)力最大達(dá)到981 MPa，完整螺紋段，小端前三扣應(yīng)力稍高于其他部位，螺紋整體應(yīng)力較低。內(nèi)壓+拉伸載荷作用下，最大等效應(yīng)力隨軸向拉伸載荷增大而增大，臺肩面在拉伸載荷作用下等效應(yīng)力下降，并且最大等效應(yīng)力從密封面轉(zhuǎn)向管體大端，對接箍而言，隨拉伸載荷增大，靠近密封面一端整體等效應(yīng)力較大，并以第一扣螺紋牙嚙合附近為中心向兩側(cè)擴(kuò)展延伸，為危險斷裂面。內(nèi)壓+壓縮載荷作用下，當(dāng)壓縮載荷從200 MPa增加到400 MPa時，特殊螺紋整體應(yīng)力明顯增大，最大等效應(yīng)力并不是持續(xù)增加，而是呈先變小后增大趨勢，最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在接箍第一扣、第二扣處，這是因為螺紋為承載面過盈接觸以及在壓縮載荷下局部區(qū)域出現(xiàn)塑性變形導(dǎo)致，臺肩面、密封面、螺紋前三扣嚙合處等效應(yīng)力隨壓縮載荷增大而增大，并且均高于材料屈服強度，這三部分中，臺肩面增加幅度最小，從882 MPa增加到918 MPa，螺紋前三扣嚙合處增加幅度最大，從894 MPa增加到958 MPa，說明特殊螺紋在使用過程中，螺紋前三扣嚙合處可能更容易損壞。對比相同拉伸、壓縮載荷下特殊螺紋整體應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)壓縮載荷下，特殊螺紋整體應(yīng)力水平更高，說明特殊螺紋抗壓縮能力較弱。

2.2 上扣及復(fù)合載荷下特殊螺紋接觸壓力分析

提取密封面、扭矩臺肩面上節(jié)點，密封面以遠(yuǎn)離螺紋齒錐面過渡處為起點，臺肩面以接觸位置管體底端為起點，分別測量各節(jié)點到起始點的距離，得出不同工況下各節(jié)點處接觸壓力在接觸長度上的變化情況。不同工況下密封面接觸壓力隨接觸長度變化（見圖3），不同工況下臺肩面接觸壓力隨接觸長度變化（見圖4）。

圖3 不同工況下密封面接觸壓力隨接觸長度變化

圖4 不同工況下臺肩面接觸壓力隨接觸長度變化

從圖3可以看出，上扣后密封面平均接觸壓力為800 MPa，接觸部位兩側(cè)接觸壓力稍高于中間，并且在靠近螺紋齒端為最大。內(nèi)壓+拉伸載荷條件下，隨拉伸載荷增大，密封面接觸壓力下降，拉伸載荷為200 MPa時，密封面接觸長度從0.82 mm減小到0.65 mm，相對下降20.7%，繼續(xù)增加拉伸載荷，密封面接觸長度保持不變，施加600 MPa拉伸載荷時密封面接觸壓力平均值為379 MPa，并且最大接觸壓力位置前移。內(nèi)壓+壓縮載荷條件下，密封面接觸壓力、接觸長度隨壓縮載荷增大而增大，并且密封面接觸部位兩側(cè)接觸壓力差值也逐漸增大，當(dāng)壓縮載荷增加到400 MPa時，密封面接觸壓力最大為1 189 MPa，密封面接觸長度從0.82 mm增加到1.31 mm，相對增加37.4%。從圖4可以看出，在上扣后，離臺肩面接觸起點位置越遠(yuǎn)接觸壓力越大，當(dāng)接觸位置在臺肩與密封面過渡處附近時，接觸壓力驟然增加，說明在上扣過程中臺肩與密封面過渡處附近最先對頂。在內(nèi)壓+拉伸載荷條件下，隨拉伸載荷增大，臺肩處接觸長度、接觸壓力明顯下降，當(dāng)拉伸載荷達(dá)到600 MPa時，臺肩處接觸壓力為零，管體與臺肩完全分離，失去輔助密封作用。在內(nèi)壓+壓縮載荷條件下，隨壓縮載荷增大，遠(yuǎn)離臺肩過渡處接觸壓力增大明顯，而臺肩過渡處最大接觸壓力基本不變，臺肩接觸長度小幅度增加，這是由于在上扣后，臺肩處已經(jīng)對頂，在壓縮載荷為400 MPa，臺肩面上最大接觸壓力為715 MPa，接觸長度增加9.7%。

3 結(jié)論

上扣后特殊螺紋整體應(yīng)力分布合理，小端前三扣起主要承載作用，密封面接觸位置兩側(cè)接觸壓力高于中間。

內(nèi)壓+拉伸載荷作用下，特殊螺紋等效應(yīng)力隨拉伸載荷增大而增大，接箍完整螺紋牙嚙合第一扣附近為危險截面，軸向載荷過大或存在循環(huán)載荷可能從此處斷裂，密封面接觸壓力減小，最大接觸壓力位置前移，但只要拉伸載荷不超過600 MPa，接觸長度并不會隨拉伸載荷增大持續(xù)減小，拉伸載荷過大，只會造成臺肩面相互分離。

內(nèi)壓+壓縮載荷作用下，受特殊螺紋參數(shù)影響，隨壓縮載荷增大，特殊螺紋最大等效應(yīng)力會有小幅波動，但整體應(yīng)力呈增大趨勢，臺肩面處接觸壓力在除接觸部位末端的位置增加明顯。

對比相同拉伸及壓縮載荷下特殊螺紋整體應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)壓縮載荷下特殊螺紋整體應(yīng)力較大，說明特殊螺紋抗壓縮能力較弱。

漢唐能源科技新建甲醇制乙醇項目

近日，寧夏漢唐能源科技有限公司年產(chǎn)50萬噸甲醇制乙醇及產(chǎn)業(yè)鏈一體化項目選址公示。該項目擬選址位于寧夏吳忠市鹽池縣鹽池工業(yè)園區(qū)區(qū)塊三亞蘇北路東側(cè)，榮旺街南側(cè)，擬用地面積789 333.33 m2，建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)50萬噸甲醇制乙醇、120萬噸芳烴、40萬噸重油加氫改質(zhì)、60萬噸混醇分離等。

（摘自中國化工信息2019年第5期）