玻璃鋼注水管柱螺紋接頭受力分析研究

陳朋剛，史鵬濤

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玻璃鋼注水管柱螺紋接頭受力分析研究

陳朋剛，史鵬濤

（延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心，陜西 延安 716001）

玻璃鋼油管作為注水管柱可以有效解決由于注水水質不達標等問題造成的腐蝕結垢，進而延長注水管柱使用周期。但由于受到注水系統壓力波動等影響造成玻璃鋼油管絲扣承受著復雜的交變載荷，現場使用過程中螺紋脫扣失效的問題時有發生。為此本文主要采用彈塑性有限元法建立了玻璃鋼油管接頭接觸受力的有限元模型，利用Abaqus有限元分析軟件，對玻璃鋼螺紋聯接處在不同工況下的等效應力、等效應變和接觸應力進行了分析研究，為玻璃鋼油管的質量檢測和油管失效斷裂分析提供了一定的理論依據。

玻璃鋼油管；螺紋；有限元分析；應力應變

鑒于玻璃鋼油管具有材質比重小、耐腐蝕性強、內表面光滑、摩阻系數低、傳熱系數小等明顯的優點，逐漸采用玻璃鋼油管替代普通鋼制油管用于注水管柱。但玻璃鋼油管作為注水管柱在注水過程中受到注水系統壓力波動及流體流速的影響，現場使用過程中易出現螺紋脫扣現象。據統計，普通油管失效事故約有64%發生在螺紋連接部位[1]。而玻璃鋼作為新型管材逐漸應用到油田注水開發中，有關螺紋失效的現場及室內研究的很少。因此，為充分發揮玻璃鋼油管作為注水管柱上的優勢，有效避免油管失效事故，保證注水井的正常運行，通過對玻璃鋼油管螺紋接頭處的應力應變進行分析研究，明確其強度薄弱環節，為改善玻璃鋼螺紋連接力學性能提供有力技術支撐，在井下玻璃鋼注水管柱承受復雜荷載的情況下，提升玻璃鋼工藝管柱的連接可靠性[2-4]。

1 分析模型的建立

1.1 有限元模型的建立

材料螺紋連接強度的數值計算屬材料和接觸非線性問題，本文采用非線性接觸彈塑性有限元法，利用Abaqus有限元分析軟件對Φ73 mm×5.5 mm玻璃鋼油管及Φ89.5 mm接箍接頭，螺紋牙型為API 5B-2010所推薦的圓螺紋在機緊連接和拉伸荷載作用下，對玻璃鋼油管螺紋連接強度進行了計算。

在有限元建模時，認為油管-接箍接頭為軸對稱圖形，且在軸向從中線開始油管、接箍也是對稱的。所以其分析模型一般取其一半并采用軸對稱模型進行平面分析。已有很多研究成果均采用了這種模型，并且給出了滿足精度要求的結果。在這種簡化中采用下述簡化和假設：接箍和油管材料為各向同性；材料屈服后為各向同性化；不計小螺紋升角的影響。

為了保證計算精度，建模時所取的管體長度大于3倍管端至螺紋消失點的距離，油管幾何模型及有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 接頭的幾何模型

圖2 螺紋牙有限元劃分網格圖

1.2 材料的物理性能參數

玻璃鋼的力學性能如下，屈服強度為100 MPa，抗拉強度為140 MPa，均勻伸長率為3%。 摩擦系數為0.02。材料模型為雙線性強化，如圖3所示。

圖3 材料模型

1.3 約束與荷載

油管接頭在實際工作中所受的荷載主要有預緊上扣圈數、軸向拉伸荷載[5]。上扣圈數引起的荷載即螺紋預緊產生過盈量造成的應力及其分布，拉伸荷載主要是油管自重和液柱循環作用于油管上的壓力引起的。本文根據玻璃鋼注水管柱在延長油田的實際應用情況，分別分析了玻璃鋼管柱在過盈量狀態下造成的應力及遠端作用軸向載荷產生的應力及應變的分布。

在具體分析時認為節箍的中間平面施加軸向位移約束以消除剛性位移、徑向和環向位移自由。為了分析方便，對如圖2所示模型中的螺紋牙按照從上到下的順序依次編為1，2......，19號螺紋，具體分析結果見下文。

2 螺紋應力與應變分析

本文根據玻璃鋼注水管柱在延長油田的實際應用情況，分別分析了玻璃鋼管柱在過盈量狀態下及軸向載荷產生的應力及應變，具體工況如下：

（1）預緊1圈的過盈量為0.08 mm的狀態；

（2）預緊+不同軸向拉伸荷載（分別為22 MPa、50 MPa、76 MPa、88 MPa、91 MPa）。

2.1 等效應力分析

螺紋螺牙在各工況下最大等效應力如圖4所示。通過分析發現：隨著載荷的增大，峰值應力增大。開始時峰值應力出現在第16牙螺紋的承載面，主要是由于螺紋的嚙合作用產生的。但隨著載荷的增大，螺紋逐漸變形，公母螺紋之間的間隙增大，峰值應力出現的位置從承載面逐漸轉移到齒根，且逐漸擴散到第16牙~第19牙的齒根。產生這種現象的原因主要是由于油管在載荷作用下產生變形后，齒根的應力集中程度的影響大于嚙合產生的作用。當軸向載荷為88 MPa時，齒根的等效應力達到了玻璃鋼的抗拉強度。

圖4 不同工況下螺紋等效應力云圖

2.2 接觸壓力分析

通過對不同工況下玻璃鋼螺紋的有效應力進行分析，得出玻璃鋼螺紋接頭的極限承載能力為88 MPa。因此在接頭處承受極限荷載為88 MPa時很有必要對其螺紋的接觸壓力進行分析，結果如圖5所示。在第1、2、16、17牙接觸壓力較高，中間螺紋的接觸壓力較低。 接觸壓力的峰值出現在第16牙的承載面，幅值為168 MPa。

圖5 不同螺紋牙面上的接觸壓力

2.3 等效塑性應變分析

軸向載荷為88 MPa時的等效塑性應變如圖6所示，峰值等效塑性應變為6.4%，出現在第18牙的齒根，因此該位置易出現開裂。

圖6 軸向載荷為88MPa時等效應變云圖

3 結 論

通過對螺紋類型為API圓螺紋的玻璃鋼油管接箍接頭在不同工況下的強度進行分析，可得到如下結論：

（1）在預緊產生過盈的情況下，由此產生的峰值等效應力為57 MPa，峰值接觸壓力為81 MPa，均出現在第16牙的承載面。由于此時，油管的齒頂與接箍的齒根并沒有完全接觸，因此該位置的應力水平較低。

（2）在不同軸向載荷作用下，第16牙（即螺紋連接的下端部位）的等效應力值較高，等效應變也相應的發生在螺紋連接處的下端或附近區域，因此認為玻璃管易損壞部分集中在螺紋接頭的下端。

（3）隨軸向拉伸載荷的增大，油管及接箍接頭的等效應力增大，且峰值應力逐漸由承載面轉移到齒根位置。

（4）接頭的極限軸向承載能力為88 MPa，因此在實際的注水管柱應用中按照1.25的工程安全系數進行考慮，玻璃鋼管在考慮自重及軸向荷載的情況下允許值不得大于70 MPa。

（5）由于玻璃鋼彈性模量相對較小，導致管柱變形量較大，在實際的注水管柱應用中應該與相應的錨定工具配合使用，進而達到提高注水管柱穩定及可靠性。

［1］黃強．油管螺紋損壞原因與對策[J]．石油天然氣學報(江漢石油學院學報)，2005，27 (4):708-711.

［2］孫衛娟．玻璃鋼油管螺紋制作及連接有限元分析研究[J]．長江大學學報(自然版)，2015，12 (7)：45-46．

［3］竇益華，許愛榮，張國政，等．螺紋參數公差對對油管螺紋連接強度的影響分析[J]．石油機械, 2007，35 (1)：13-15．

［4］馬來增，張辛，徐興平．玻璃鋼油管失效分析及對策[J]．石油礦場機械，2011，40 (11)：61-63．

［5］李領義．軸向載荷作用下油管接口螺紋的受力分析[J]. 中國石油和化工標準與質量，2012 (4):130．

Research onStress Analysis of Thread Joints of Fiberglass Water InjectionTubing

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（Yanchang Oilfield Co.,Ltd. Exploration and Development Technology Research Center, Shaanxi Yan’an 716001, China）

Fiberglass oil tubing as water injection string can effectively solve the corrosion and scaling problem due to the injection water quality being substandard, so it can prolong the use cycle of water injection string. The screw thread of fiberglass oil tubing bears complex alternating load that due to pressure fluctuation of water injection system. The screw thread is easily failed in the field application. In this paper, the finite element models for contact force problems of fiberglass oil tubing threaded joints were established with the elastic-platic FEM. By Abaqus element analysis software, the equivalent stress and equivalent strain, contact pressure of fiberglass oil tubing threaded joints were calculated under different working conditions. The research can providetheoretical support for the quality inspection of tubing thread and investigating fracture failure of fiberglass oil tubing.

fiberglass oil tubing ; screw thread ; finite element analysis ; stress-strain

TQ 052

A

1004-0935（2017）04-0384-03

2017-03-06

陳朋剛（1980-），男，工程師，碩士研究生，陜西省延安市人，2010 年畢業于西安石油大學油氣田開發工程，研究方向：注水開發研究。