套管偏梯扣極限拉伸失效仿真分析

摘 要：本文針對一種新開發偏梯扣Φ88.9×6.45mm p110采用有限元法分析了其在極限拉伸載荷下的應力情況，同時計算極限失效載荷，分析了失效形式。結果發現：接頭在標準上扣后應力分布合理，極限拉伸下接頭表現出螺紋滑脫+管體斷裂失效，失效載荷大于API值。說明該接頭扣型設計能夠承受較強的軸向力。

關鍵詞：偏梯扣;極限失效;應力;有限元;失效載荷

1 緒論

Φ88.9×6.45mm p110 偏梯扣是一種新開發的油套管連接扣型，具有抗扭性能佳、氣密封性好、抗爆破能力強等優點，還能和API普通接頭交換使用。與API NU 油管相比，該接頭工廠端與現場端采用了相同的螺紋牙型：牙型的螺距6牙/英寸，外螺紋齒高1.016mm，內螺紋齒高1.219mm，錐度1：16，螺紋承載面3°，導向面10°。具體幾何模型見圖1。本文簡化了《ISO 13679：石油天然氣工業套管及油管螺紋連接試驗程序》[1]的極限承載試驗程序，分析了該扣型接頭在極限拉伸載荷的應力情況，求出極限失效載荷。

2 有限元模型

2.1 套管接頭的受力特點

油套管螺紋所受的主要載荷有以下幾種：[2-4]石油管柱在油井中工作主要承受以下幾種力學載荷：上扣時的旋轉扭矩、管柱自重的軸向力、管柱中循環液體的內外壓力。本文主要分析套管上扣后受到軸向拉伸極限載荷。

2.2 網格模型

由于接觸問題本身邊界條件復雜，具有不確定性，而又要保證計算的精度與效率，采用四節點軸對稱四邊形縮減積分單元CAX4R。劃分網格后最終得到管體部分單元數10451個，接箍部分單元數9873個，有限元網格模型如圖1所示。其中套管材料為鋼級P110，彈性模量210000MPa，泊松比0.3，管體屈服極限758MPa，管體拉伸極限960MPa。

3 套管拉伸至失效計算結果

上扣后持續給接頭連段施加拉力，直到管子被拉至與接箍出現脫離的跡象，此時應力云圖可以看見管子管體部分已經出現了斷裂的趨勢，[4]不完整螺紋段的末尾1-2牙嚙合螺紋首先滑脫，隨后其余螺紋迅速滑脫。最后的失效載荷為1400kN，大于ISO10400[5]標準給出的本規格油管的最小抗拉伸強度1200kN。圖2（a）和圖2（b）展示了拉伸至失效前的等效應力分布和變形情況。該扣型螺紋承載面角為3°比較陡峭，承受較大軸向力時，末尾1-2牙螺紋容易被軸向剪切。失效時，對頂面脫離接觸，導向面分離，承載面保持作用。

4 結論

通過分析可以得到以下結論：

（1）接頭應力分布趨勢合理。但由于接頭強度較高（110鋼級），擰緊后整體應力水平偏高，可考慮適當降低螺紋過盈量。

（2）接頭擰緊后，對頂的端面互相作用產生軸向應力，該軸向應力會增加接箍的應力水平，但由于接箍厚度遠大于管子，該軸向應力對整個接頭的連接強度影響較低。

（3）接頭在極限拉伸載荷作用下的失效表現形式分別為為滑脫和管體斷裂，且其抗外載能力大于API保證值，說明該型套管扣型設計能夠承受較強的軸向力。

參考文獻：

[1]API RP 5C5.Recommended Practice on Procedures for Testing Casing and Tubing Connections[S].ISO 13679：2002.Petroleum and natural gas industries—Procedures for testing casing and tubing connections[S].

[2]張建兵，白松，李雙貴，陳曉華.《ISO 13679：石油天然氣工業 套管及油管螺紋連接試驗程序》的仿真方法[J].天然氣工業，2017，37（10）：66-72.

[3]白松，張建兵，杜志杰.基于ISO 13679熱循環試驗要求的套管特殊螺紋強度分析[J].石油礦場機械，2017，46（06）：40-46.

[4]李渭亮，白松，陳曉華，等.基于ISO 13679的套管特殊螺紋極限承載能力仿真評價[J].鋼管，2017，46（03）：66-70.

[5]API TR 5C3.Technical Report on Equations and Calculations for Casing，Tubing，and Line Pipe used as Casing or Tubing;and Performance Properties Tables for Casing and Tubing[S].ISO 10400：2007.Petroleum and natural gas industries—Formulae and calculations for casing，tubing，drill pipe and line pipe properties[S].