配注器接頭與連接套剩余強度有限元分析

王尊策 趙 丹 孫麗麗 曹夢雨 陳 星

（東北石油大學機械科學與工程學院）

配注器作為分層配注的關鍵設備之一，主要用于向各個不同地層配注合適壓力和流量的水。在使用過程中， 由于注水壓力和環境因素的影響， 使得配注器零部件外壁極易出現腐蝕缺陷，導致其壁厚減薄，局部應力提高，對配注器的強度、使用壽命及其再利用產生較大的影響［1，2］。 國內外的許多學者曾利用有限元法對腐蝕管道和油套管剩余強度進行了大量研究［3～5］，對實際生產具有重要意義。 近年來，國內對于井下注水的研究多集中于對配注器機械結構的改進和內流特性的研究［6］，而關于在役配注器剩余強度的研究還相對較少。 筆者對腐蝕后的配注器進行定量檢測和判斷，采用有限元法，結合大慶油田某采油廠注入井實際工況，模擬腐蝕缺陷位置、尺寸等因素對在役配注器接頭與連接套剩余強度的影響，從而為油田配注器的重復利用和提高操作安全性提供一定的指導意義。

1 有限元分析

1.1 幾何模型的建立

以油田常用的114mm 橋式偏心配注器為研究對象，對油田使用過的配注器進行拆解、清洗，利用逆向建模方法對主要承載且腐蝕嚴重的配注器連接套腐蝕情況進行定量檢測和分析，采用手持式激光掃描儀采集數據，采用DESIGN X 等軟件建立幾何模型， 獲取腐蝕缺陷的形貌和幾何尺寸。 然后根據腐蝕缺陷的形貌特征，將腐蝕缺陷規則化為球形、橢球形、矩形。 通過對連接套腐蝕情況進行統計得出， 腐蝕缺陷中球形蝕坑缺陷數量最多，約占統計總數的86%，且連接套在出水口一側的腐蝕情況嚴重于另一側，依據實際尺寸建立幾何模型， 配注器接頭與連接套間的螺紋尺寸為M105mm×2mm， 將模型簡化半剖如圖1 所示。

圖1 配注器接頭與連接套幾何模型

1.2 網格的劃分

采用ABAQUS/Explicit 求解器， 利用分塊劃分的方法，采用六面體單元劃分網格，并對螺紋齒和蝕坑缺陷處的網格進行加密處理，進行網格無關性分析，全局種子設為0.8，劃分網格后的有限元模型如圖2 所示。

圖2 劃分網格的有限元模型

1.3 力學模型的建立

油田上常用的配注器接頭與連接套材料均為40Cr， 定義材料屬性時需要對材料的彈性、塑性參數分別進行定義。 40Cr 材料力學性能為：彈性模量206GPa， 泊松比0.26， 屈服強度極限785MPa，抗拉強度極限810MPa。

1.4 邊界條件及相互作用設置

約束配注器接頭與連接套對稱面的垂直對稱面方向自由度、 接頭上端面的軸向自由度，同時在連接套底端面和接頭與連接套內壁面進行載荷施加。 接頭與連接套及螺紋間的接觸類型為面-面接觸。 接觸面法向行為設置為硬接觸，允許接觸后分離；切向行為定義為庫倫摩擦，摩擦系數設為0.08。

1.5 載荷的施加

配注器在正常工作情況下，承受管柱施加的軸向載荷、 配注器內液體施加的載荷及安裝力矩。 針對B2-41-545 號注入井的生產完井管柱部分進行管柱載荷分析， 該生產完井管柱為直井，底部采用絲堵加防砂篩管結構， 共4 個注入層段，管柱結構如圖3 所示。 以注入井第1 層配注器（1 076m）為例，計算得到軸向拉載荷為15kN，內壓為16～25MPa。 筆者在有限元模擬時采用在臺間處加過盈的方式模擬上扣效果。 根據螺紋扣牙應力為80%屈服極限時為裝配扭矩，通過多次試算后獲得合適的過盈量為0.13。

1.6 失效準則

圖3 B2-41-545 號注入井生產完井管柱結構示意圖

式中 σ1、σ2、σ3——第1、2、3 主應力；

σi——Von Mises 等效應力。

2 有限元計算結果分析

2.1 腐蝕缺陷對接頭連接套螺紋齒面接觸應力的影響

基于所建立的數值分析模型，采用有限元軟件分析了連接套外壁蝕坑直徑為10mm， 深度分別為1.0、1.5、2.0mm 的接頭與連接套在拉載荷15kN、內壓16MPa 作用下的螺紋齒面接觸應力，結果如圖4 所示。

圖4 直徑10mm、不同蝕坑深度下的螺紋齒面接觸應力

由圖4 可知，在工況載荷作用下，接頭與連接套間螺紋第1 個齒產生的接觸應力最大，由第1 個齒到第19 個齒， 螺紋齒面接觸應力逐漸減小，連接套外壁蝕坑缺陷深度對螺紋齒接觸應力影響很小。

2.2 腐蝕缺陷對接頭與連接套等效應力的影響

深度3.0mm、 直徑10mm 蝕坑在不同位置處的應力分布云圖如圖5 所示。 可以看出，接頭的總應力水平低于連接套，連接套第1 齒齒根和蝕坑缺陷處出現應力集中現象，因此在第1 齒齒根位置處容易開裂，為危險截面，蝕坑缺陷處的高應力區沿著蝕坑徑向分布，易形成開裂口后發生徑向斷裂。 隨著蝕坑與連接套端面間距離越來越遠，蝕坑處的等效應力越來越小。

圖5 深度3.0mm、直徑10mm 蝕坑在不同位置處的應力分布云圖

圖6 為蝕坑在連接套不同位置處的最大等效應力模擬結果。 可以看出，蝕坑位置位于距端面22mm 以上時對最大等效應力影響很小，位于距端面17mm 時，最大等效應力急劇上升且危險截面發生屈服。 蝕坑所在連接套的位置對最大等效應力的影響較大，可依據模擬結果有針對性地對影響較大的連接套外壁缺陷位置進行防腐處理，進而延長配注器接頭與連接套的使用壽命。

圖7 為蝕坑深度對等效應力的影響曲線。 孔深度小于1.0mm 時， 直徑對等效應力的影響較小。 直徑5mm 時， 深度2.5mm 危險截面發生屈服；直徑10mm 時，深2.0mm 危險截面發生屈服。

圖6 深度3.0mm、直徑10mm 蝕坑在不同位置處的最大等效應力

圖8 為工作壓力與等效應力的關系曲線，可以看出工作壓力對等效應力的影響較大，近似成正比關系，當缺陷尺寸是直徑10mm、深度1.5mm時，壓力大于25MPa 危險截面發生屈服。

圖7 蝕坑深度對等效應力的影響曲線

圖8 蝕坑直徑10mm、深度不同時工作壓力與等效應力的關系曲線

3 結論

3.1 配注器連接套外壁的球形蝕坑缺陷對螺紋齒連接強度影響較小，主要影響連接套內離端面最近的一扣嚙合螺紋所在的截面。 且所處位置對等效應力的影響很大，距連接套端面17mm 處對危險截面影響最大，針對模擬結果可采取相應的防腐措施。

3.2 當配注器連接套外壁的球形蝕坑缺陷尺寸分別是直徑5mm、 深度2.5mm 和直徑10mm、深度2.0mm 時，危險截面發生屈服；當直徑10mm、深度1.5mm 時， 壓力大于25MPa 危險截面發生屈服。