考慮螺紋不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力與密封性能分析

摘要：目的：對(duì)雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力與密封性能進(jìn)行驗(yàn)證。方法：獲取雙臺(tái)肩鉆具螺紋相關(guān)的應(yīng)力控制數(shù)據(jù)以及參數(shù)指標(biāo)，利用其創(chuàng)建有限元控制模型，同時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)力的控制來(lái)對(duì)其密封性能的變化作出分析與研究。結(jié)果：在不同的應(yīng)力值的變化情況下，所得出的密封比存在差異，密封比較高，表明不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋密封性能較好。結(jié)論：隨著應(yīng)力的變化，螺紋不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋的密封性也會(huì)隨之發(fā)生變化。應(yīng)力越高，密封性能越好。

關(guān)鍵詞：螺紋不對(duì)稱(chēng)性;雙臺(tái)肩鉆具;螺紋應(yīng)力;密封性能;應(yīng)力變化;性能結(jié)構(gòu);

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

鉆具在使用過(guò)程中時(shí)常會(huì)受到拉伸、彎曲以及扭轉(zhuǎn)等外力作用的影響，產(chǎn)生一定的復(fù)合載荷現(xiàn)象，這部分的復(fù)合載荷外力一般極易造成鉆具以及螺紋應(yīng)力的失效，并且部分螺紋在生產(chǎn)的過(guò)程中，由于生產(chǎn)制度不同，在連接的部位會(huì)形成鉆具最薄弱的環(huán)節(jié)，直接影響最終螺紋的質(zhì)量。所以，需要對(duì)鉆具螺紋應(yīng)力與密封性能進(jìn)行對(duì)應(yīng)地分析。通常情況下，可以將鉆具劃分為以下兩個(gè)種類(lèi)，分別為單項(xiàng)螺紋鉆具以及不對(duì)稱(chēng)雙臺(tái)肩螺紋鉆具，較為常用的還要數(shù)不對(duì)稱(chēng)雙臺(tái)肩螺紋鉆具，它在應(yīng)用的過(guò)程中局限較少，薄弱處也較少，并且出現(xiàn)故障的幾率相比于其他鉆具較低。為了增強(qiáng)其使用的范圍，可以對(duì)其應(yīng)力以及密封性進(jìn)行管理與控制，以此來(lái)進(jìn)一步提升整體的應(yīng)用水平。傳統(tǒng)的測(cè)試方法相對(duì)較為單一落后，并且最終的結(jié)果不具有穩(wěn)定性，外載荷作用也不準(zhǔn)確，因此，需要對(duì)考慮螺紋不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力與密封性能進(jìn)行分析，在真實(shí)的環(huán)境之下，采用層級(jí)維度的方式進(jìn)行測(cè)試，并將最終測(cè)量的結(jié)果對(duì)比分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)螺紋應(yīng)力與密封性能分析與研究。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋6個(gè)作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。準(zhǔn)備相同型號(hào)的錐螺紋、螺旋升角、量度尺、螺紋進(jìn)以及退刀槽。測(cè)定不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋外螺紋、中心螺紋、內(nèi)螺紋以及部分鉆柱鉆具的實(shí)際數(shù)值，并將螺紋鉆具連接的薄弱部位加置接箍以避免在驗(yàn)證的過(guò)程中出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

進(jìn)行應(yīng)力有限元計(jì)算模型初始指標(biāo)數(shù)值的設(shè)定，具體如下表1所示：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，最終可以完成對(duì)應(yīng)力有限元計(jì)算模型初始指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，完成對(duì)應(yīng)力與密封性測(cè)試環(huán)境的搭建。之后，核查測(cè)試的裝置處于穩(wěn)定的狀態(tài)，并不存在影響最終測(cè)試結(jié)果的外部因素，核查無(wú)誤后，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

在上述所搭建的測(cè)試環(huán)境之下開(kāi)始測(cè)試。首先，對(duì)

不對(duì)稱(chēng)雙臺(tái)肩鉆具螺紋的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行分析。在螺紋的內(nèi)部和外部之間建立一個(gè)較為寬大的接觸面，通過(guò)過(guò)渡最終形成一個(gè)復(fù)雜的螺旋曲面空間，對(duì)接觸面的非線(xiàn)性應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，具體如下公式1所示：

公式1中：K表示接觸面的非線(xiàn)性應(yīng)力，f表示三維受力面積，表示接觸載荷系數(shù)，通過(guò)上述的計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的接觸面的非線(xiàn)性應(yīng)力。將其作為應(yīng)力的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，隨后在此基礎(chǔ)上，還需要建立相對(duì)應(yīng)的有限元三維空間力學(xué)模型，對(duì)鉆具的極限載荷范圍計(jì)算，具體如下公式2所示：

公式2中：B表示極限載荷范圍，v表示內(nèi)螺紋受力面積，x表示外螺紋受力面積，t表示作用誤差，通過(guò)上述的計(jì)算，最終得出極限載荷范圍。在此范圍之內(nèi)，依據(jù)螺紋的不對(duì)稱(chēng)性質(zhì)以及應(yīng)力變化情況，進(jìn)行有限元處理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的有限元應(yīng)力控制結(jié)構(gòu)，進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力與密封性的分析研究。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建有限元三維空間力學(xué)模型，添加結(jié)構(gòu)在模型之中，設(shè)定一條沿螺紋主臺(tái)肩側(cè)前三圈的齒根上進(jìn)行兩個(gè)受力路徑的關(guān)聯(lián)，并對(duì)螺紋的形式以及尺寸進(jìn)行設(shè)置，形式大致可以設(shè)定為三角螺紋，尺寸的范圍如下：螺距7.357mm，牙型實(shí)測(cè)高度為3.66mm，對(duì)應(yīng)錐度比為1：9，圓角半徑范圍為0.341～0.674 mm，螺紋的對(duì)比接頭長(zhǎng)101.6 mm，對(duì)上述的數(shù)據(jù)信息作出整合，并計(jì)算不對(duì)稱(chēng)雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力的實(shí)際變化值。具體如下公式3所示：

公式3中;L表示應(yīng)力的實(shí)際變化值，θ表示有限荷載變化比，表示應(yīng)力無(wú)誤差，a表示極限配合公差。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的應(yīng)力的實(shí)際變化值。通過(guò)應(yīng)力的變化情況，可以得出不對(duì)稱(chēng)雙臺(tái)肩鉆具螺紋密封性能的強(qiáng)弱，將得出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析，獲取最終的結(jié)論，如下表2所示：

根據(jù)上述表2中的數(shù)據(jù)信息，最終可以得出以下結(jié)論：在不同的應(yīng)力作用下，不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋密封比相對(duì)較高，表明密封性更佳，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3討論

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終可以得出以下結(jié)論：螺紋不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力與密封性存在一定的聯(lián)系，應(yīng)力越大，相應(yīng)的密封性越好，反之，應(yīng)力越小，密封性越差。所以，在制造應(yīng)用的過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)進(jìn)行嚴(yán)格地控制，避免密封性差帶來(lái)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，便是對(duì)考慮螺紋不對(duì)稱(chēng)性的雙臺(tái)肩鉆具螺紋應(yīng)力與密封性能的分析與研究。在測(cè)試的過(guò)程中，對(duì)鉆具螺紋所承受的對(duì)應(yīng)復(fù)合載荷應(yīng)力以及密封性作出分析。應(yīng)用接觸力學(xué)和三維還原技術(shù)，創(chuàng)建鉆具的有限元模型，并依據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型的調(diào)整與更改，建立雙臺(tái)肩鉆具螺紋接頭力學(xué)性能分析的差值結(jié)構(gòu)，在鉆具性能以及特征的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步優(yōu)化雙臺(tái)肩鉆具螺紋接頭的尺寸公差，以此來(lái)縮小誤差的出現(xiàn)，使最終的測(cè)試結(jié)果更加真實(shí)可靠，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：趙洋（19880810）男，漢吉林省松原市 學(xué)士，助理工程師，研究方向：鉆井工具，工作單位：大慶鉆探鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司。