特殊油管扣螺紋參數(shù)對接頭連接強度影響分析

秦彥斌，張佳浩，于 洋

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著石油天然氣勘探開發(fā)的不斷深入，以及井下工作環(huán)境的日益復雜，傳統(tǒng)的API標準油管接頭不再適用于各種復雜的井下工況[1]，因此國內(nèi)外各大廠商根據(jù)不同使用工況開發(fā)出了各種特殊油管扣，其螺紋牙均采用改進的API偏梯形螺紋。國內(nèi)外學者對不同結構的特殊油管扣在使用過程中的應力等進行了大量研究。高連新等[2]建立了特殊套管扣的理論計算模型，得到了每圈螺紋牙上的應力分布特點，基于該應力分布特點，對內(nèi)螺紋兩端2～4牙螺紋螺距進行了優(yōu)化。許志倩等[2]建立了特殊油管扣螺紋牙在各失效形式下的臨界載荷模型，得到了螺紋牙承載分布的求解公式。胡志力等[3]建立了特殊油管扣二維有限元模型，研究了接頭在不同參數(shù)下的連接強度，并對其設計參數(shù)進行了優(yōu)化。劉源等[4]利用所建立的特殊螺紋套管扣二維有限元模型，研究了接頭的連接強度在不同設計參數(shù)下的變化規(guī)律。喻開安等[5]基于因數(shù)輪換思想，使用有限元仿真的方法研究了臺肩角度和過盈量對接頭連接強度的影響。晁利寧等[6]建立了不同臺肩角度的特殊油管扣有限元模型，研究了不同載荷條件下接頭臺肩角度的變化對其密封性能的影響。

綜上所述，特殊油管扣的螺紋牙處在復雜載荷條件下易發(fā)生連接強度失效，并有可能對接頭密封面產(chǎn)生影響，導致接頭處密封失效。根據(jù)井下工況，對連接性能較好的偏梯形螺紋進行參數(shù)優(yōu)化，以適應更加惡劣的井下環(huán)境顯得尤為重要。因此，本文考慮螺旋升角，通過對接頭在使用過程中所承受的載荷進行模擬加載，研究特殊油管扣螺紋部分的連接性能在不同導向面和承載面角度下的變化規(guī)律。

1 特殊油管扣有限元三維建模

以88.9 mm×6.45 mm P110型錐面—錐面特殊油管扣為研究對象，考慮為消除管端效應，根據(jù)圣維南原理，建模時取管體長度約為螺紋牙長度的3倍[7]。為了保證計算結果的精確度，將內(nèi)外螺紋牙處的網(wǎng)格進行細化，經(jīng)統(tǒng)計，外螺紋網(wǎng)格數(shù)量為893個，內(nèi)螺紋網(wǎng)格數(shù)量為1 203個。特殊扣有限元模型的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。特殊油管扣在進行有限元分析之前，需建立3個接觸對，分別是螺紋牙導向面處的接觸對、螺紋牙承載面處的接觸對、密封面—臺肩的接觸對。依據(jù)接觸對的設置原則，將外螺紋接頭的螺紋導向面、螺紋承載面及密封面—臺肩設置為從面，由于上扣時外螺紋接頭相對于內(nèi)螺紋接頭會有比較大的轉動量，而有限滑移允許接觸面之間出現(xiàn)任意大小的相對滑動，所以將接觸對的滑移屬性設置為有限滑移。接箍端面的約束為固定約束；軸向外載荷通過建立連續(xù)分布節(jié)點耦合來施加[8－10]。

圖1 特殊油管扣網(wǎng)格劃分

特殊油管扣的具體參數(shù)如表1所示，其材料視為均勻的各項同性體，材料參數(shù)如表2所示[11]。

表1 特殊油管扣設計參數(shù)

表2 特殊油管扣材料屬性

根據(jù)所調(diào)研的文獻及現(xiàn)場使用情況，選擇特殊油管扣螺紋承載面角度優(yōu)化范圍為－9°～3°，選擇特殊油管扣螺紋牙導向面角度的優(yōu)化范圍為5°～35°[12]。

2 有限元結果分析

2.1 承載面角度優(yōu)化研究

經(jīng)有限元分析，得到如圖2所示的在上扣扭矩和軸向拉伸載荷作用下，特殊扣螺紋部分螺紋Mises等效應力分布云圖。由圖可知，特殊扣螺紋牙處的等效應力隨螺紋牙承載面角度的增大先減小后增大，當承載面角度為－4°、－3°和3°時，螺紋處的等效應力較小，且環(huán)向應力分布較為對稱，無明顯的應力集中現(xiàn)象，0°承載面角度的接頭螺紋等效應力較大，且大部分區(qū)域已超過材料屈服極限，接頭性能變差。

圖2 上扣＋拉伸載荷作用下不同導向面接頭螺紋牙處等效應力云圖

從靠近臺肩的螺紋牙開始，對接頭螺紋牙依次編號，得到不同承載面角度特殊油管扣螺紋牙處等效應力曲線如圖3所示。由圖可知，不同承載面接頭螺紋牙處的等效應力曲線在上扣扭矩和軸向拉伸載荷的復合作用下，均為兩端高中間低的形狀，且部分承載面角度螺紋段的等效應力已超過材料屈服極限；當承載面角度為－9°和－6°時，中間幾牙的螺紋牙與兩端螺紋牙的等效應力的差距明顯更大，特殊扣整個螺紋牙部分的等效應力分布不均勻，導致接頭連接強度減弱。

圖3 不同承載面角度特殊油管扣螺紋牙處等效應力曲線

3.3.2 導向面角度優(yōu)化研究

經(jīng)有限元分析，得到如圖4所示的在上扣扭矩和軸向壓縮載荷復合作用下，不同導向面角度的特殊油管扣螺紋牙處等效應力云圖。由圖可知，隨著螺紋牙的導向面角度的增大，接頭整個螺紋牙部分的等效應力逐漸減小，且當導向面角度大于20°時，接頭螺紋處的等效應力在減小的同時，應力分布不均度地增大，導致臺肩所負擔的載荷增大，且最大等效應力從特殊油管扣密封面處轉移至接頭臺肩處，其中導向面角度超過25°后，臺肩受力幅度明顯增加，接頭連接強度降低。

圖4 上扣扭矩＋軸向壓縮載荷作用下不同導向面螺紋牙處等效應力云圖

提取各圈螺紋牙處的Mises等效應力，得到如圖5所示的在上扣扭矩和軸向壓縮載荷作用下，不同導向面角度的特殊油管扣螺紋牙處的等效應力變化曲線。由圖可知，不同導向面角度的接頭螺紋牙處等效應力曲線在上扣扭矩和軸向壓縮載荷的復合載荷作用下，均為兩端高中間低的形狀，且導向面角度為5°時，差距更加明顯；當螺紋牙的導向面角度處于10°～25°時，螺紋處等效應力沿螺紋牙分布較為均勻，且特殊扣螺紋段的平均等效應力小于材料屈服極限，接頭連接性能較好。

圖5 不同導向面角度的特殊油管扣螺紋牙處等效應力曲線

3 結果分析

通過研究錐面—錐面特殊油管扣在上扣扭矩和軸向拉伸/壓縮載荷復合載荷作用下，不同承載面和導向面角度對接頭螺紋處等效應力的影響，得出結論如下。

（1）特殊扣螺紋牙部分的等效應力隨螺紋牙承載面角度的增大，先減小后增大，對于－4°、－3°和3°的承載面角度，螺紋牙處的等效應力較小，而0°承載面的油管接頭，其螺紋部分的平均等效應力較大，且大部分區(qū)域已超過特殊扣材料的屈服極限。當承載面角度為－9°和－6°時，中間幾牙的螺紋牙與兩端螺紋牙的等效應力的差距明顯更大，螺紋連接失效概率增大，導致連接強度減弱。

（2）螺紋處的等效應力隨螺紋導向面角度的增大而減小，當導向面角度大于20°時，接頭螺紋處應力分布不均度地增大，導致臺肩所負擔的載荷增大，導向面角度超過25°后，臺肩受力幅度明顯增加，特殊油管扣的連接強度及臺肩結構的輔助密封性能降低。當導向面角度為5°時，中間螺紋牙與兩端差距較為明顯。而對于10°～25°導向面角度，螺紋處等效應力沿螺紋牙分布較為均勻，且均小于特殊扣的材料屈服極限，接頭連接性能較好。

4 結束語

特殊螺紋油管扣的研究方法主要有解析法、有限元分析法和實驗法，且3種研究方法各有利弊。本文建立了考慮螺旋升角的特殊油管扣的有限元模型，研究了不同承載面和導向面對接頭螺紋的Mises等效應力影響。通過對有限元結果的分析表明，復合載荷作用時，整個螺紋牙部分的等效應力會隨承載面角度的增大而先減小后增大，隨螺紋牙導向面角度的增大而減小，其中當承載面角度為－4°、－3°和3°時，導向面處于10°～25°時，特殊扣螺紋段連接性能較好。因此，在特殊螺紋油管扣的設計時，建議螺紋牙的承載面角度的設計在－6°～－3°；導向面角度建議設計在10°～30°。研究結果為特殊油管扣的設計與開發(fā)提供了參考。