高速沖擊下特殊螺紋接頭動態響應特性研究*

苑清英，晁利寧，余 晗，楊曉龍，汪 強，年晨陽

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；4.寶雞鋼管西安專用管公司，西安 710200）

0 前 言

隨著我國對油氣資源需求的日益增大，油氣田的開采已經向更深層、更苛刻的井況發展。目前國內低壓、低滲透、稠油熱采、高含硫天然氣以及頁巖氣井開采量逐年升高，這些資源的勘探開發利用難度大，對油套管柱的要求也越來越高[1]。特殊螺紋接頭就是針對這些苛刻井況開發的油井管產品[2]。

與傳統的API螺紋相比，特殊螺紋接頭具有連接強度高、密封性能好的優點，滿足拉伸、壓縮、內壓、外壓以及扭轉等油田復雜載荷工況[3]。在這些苛刻條件下，檢驗特殊螺紋的密封性能顯得尤為重要。通常工程上應用實驗室復合加載評價系統，來模擬油田工況[4]，然而在試驗過程中，復合加載設備由于焊接端塞的斷裂，引起的巨大反沖擊力是否對特殊螺紋的密封性能造成影響，是否會造成接頭泄漏，實驗室模擬比較困難，也難以定量衡量[5]。鑒于此，數值模擬仿真技術成為解決該問題的有效手段，利用有限元仿真，不但可以模擬端塞斷裂后造成的沖擊載荷對特殊螺紋接頭結構的影響，定量分析所關注的結構部位的應力應變分布情況，而且可以對特殊螺紋接頭不斷優化和改進，從而降低試驗頻率，縮短試驗周期，對節約生產成本具有重要的意義[6]。

本研究采用Abaqus/Expilct 顯式求解器，對受沖擊載荷并且發生復雜相互接觸作用的特殊螺紋接頭進行瞬間動態響應分析，定量分析沖擊載荷對密封面接觸壓力的影響，為特殊螺紋接頭的設計和優化以及實驗室試制提供理論依據和技術支持[7-10]。

1 有限元分析

1.1 分析對象

本研究選用的特殊螺紋接頭結構如圖1 所示，采用的是球面對錐面金屬過盈的密封形式，臺肩處采用負角度結構形式，連接螺紋為BJC型，套管規格為Φ114.3 mm×8.56 mm（接箍直徑133.35 mm），鋼級為P110，其材料參數見表1。

表1 P110套管材料性能參數

圖1 特殊螺紋接頭結構示意圖

1.2 基本假設

特殊螺紋接頭是一個復雜的三維結構，三維模型可以較好地模擬管體擰入接箍從而實現連接的過程，真實地反映螺紋空間分布以及螺旋升角。但是由于特殊螺紋三維模型網格數量多且接觸復雜，計算效率低，精度較差，難以滿足工程實際應用的需要。

本研究采用2D 軸對稱模型進行分析，對有限元模型進行幾點假設和簡化：①管體和接箍二者均為各向同性材料；②忽略連接螺紋的螺旋升角的影響。

1.3 網格剖分

采用彈塑性非線性模型對其進行網格剖分。管體和接箍均選用四節點軸對稱單元，管體總單元數為75 219 個，接箍總單元數為83 760 個。管體底端約束軸向位移，接箍和管體過盈配合。

1.4 邊界條件及載荷施加

（1）由于模型具有對稱性，其接箍的中心面軸向位移為0，在接箍中心面上施加軸向位移約束，如圖2所示。

圖2 邊界條件及載荷施加

（2）在上卸扣的基礎上，利用載荷幅值曲線模擬沖擊效應，在短時間內進行加載并卸載，分析管體以及接箍密封面處的應力應變、接觸壓力以及載荷時間歷程曲線，并觀察管體和接箍密封面的動態響應。

2 非線性動力學有限元模型計算

特殊螺紋接頭焊接端塞在做復合加載試驗時突然斷裂，管體受持續時間較短的沖擊載荷時，巨大的反沖擊力對接頭結構變形造成一定的影響，因此必須考慮結構的幾何大變形對結構整體剛度的影響，也就是幾何非線性影響[11]。對于高速沖擊問題即非線性動力學，采用顯式積分法更加合適。顯式積分法主要求解應力波傳遞問題，介質受到初始擾動后，其邊界或者內界的某個小區域會逐漸向介質內部或者周圍進行傳播[12]。顯式積分法采用一次一個單元的方式擴展，在求解過程中不需要求解切線剛度矩陣，不需要進行復雜的迭代求解，耗費時間較少，且容易收斂，計算效率高。

非線性動力學分析求解的基本方程為

式中：M——質量矩陣；

I——粘性效應項（考慮阻尼、粘塑、粘彈等效應）；

C——阻尼矩陣；

K——剛度矩陣；

P(t)——外部激勵作用；

u(t)——節點位移向量。

ABAQUS中顯式動力學分析采用直接積分法求解上述方程，也就是按照時間歷程對上述微分方程直接進行數值積分。考慮到非線性效應動力學問題，需要對動力學方程進行直接時間積分。

（1）節點計算[13]動力平衡方程

對時間顯式積分

（2）單元計算

匯集節點內力It+Δt，設置t+ Δt為t，返回到步驟1。

3 計算結果及分析

3.1 等效應力及接觸壓力分布

對于管體受到高速沖擊，采用*Dynamic,Explicit分析，結果如圖3所示。

圖3 等效應力分布云圖

從圖3可以看出，管體受到沖擊載荷的時候，最大等效應力出現在接箍的第三牙處，最大值為913 MPa。密封面處應力均不大，為335～552 MPa。

密封面及臺肩處接觸壓力分布如圖4所示。受到沖擊載荷的時候，最大接觸壓力出現在臺肩處，其最大值為2 476 MPa。密封面處接觸壓力分布范圍為184～393 MPa。

3.2 密封面處接觸壓力對比

為了定量分析受高速沖擊前后密封面處的接觸壓力大小，選擇密封面處的一條路徑PATH1（如圖5所示）進行應力對比，對比結果如圖6所示。

圖5 密封面處的的路徑PATH1

圖6 密封面PATH1處接觸壓力對比

從圖6可以看出，受到沖擊載荷后，密封面處接觸壓力出現振蕩，數值升高后又突然降低，受到沖擊載荷后密封面接觸壓力的最大點位置發生了變化，得出最大接觸點前移，而且數值也發生了變化，最大值為418.5 MPa。上扣完成后整個接觸位置壓力變化比較平滑，最大接觸點出現在0.8 mm 處，最大接觸壓力為397.2 MPa。相對來說，受到沖擊載荷后，接觸壓力略有升高，但是變化幅度不大。

密封面處的節點位移如圖7所示，經過對比發現，受到沖擊載荷后密封面處的節點位移普遍增大，比上完扣后的位移增大0.025 mm左右，說明沖擊載荷對密封面處節點的位置有一定的影響。

圖7 密封面PATH1處位移對比

密封面處等效應力對比如圖8所示，對比受沖擊載荷和上扣完成后的等效應力發現，由于沖擊載荷的影響，密封面處的等效應力普遍高于上扣完成后的等效應力，但是兩者的趨勢基本一致。這是由于上扣完成后的等效應力主要是由于過盈所造成的應力，而在短時間內受到沖擊載荷，再加上過盈配合，應力的疊加會導致等效應力升高。

圖8 密封面PATH1處等效應力對比

在沖擊載荷作用之后，徑向應力和軸向應力跟上扣完成后的徑向、軸向應力分布趨勢基本保持一致。可以看出，受沖擊載荷的等效應力主要是由軸向應力造成的，軸向應力占主導地位。

3.3 臺肩處接觸壓力對比

對臺肩處的接觸壓力、位移以及等效應力進行分析，沿著PATH2路徑（如圖9所示）進行對比，對比結果如圖10所示。從圖10可以看出，由于管體受到軸向的沖擊載荷，沖擊載荷會使管體產生振動，因此在沖擊載荷的作用下，臺肩處的接觸壓力不是持續的變化，而是有一定的波動。臺肩在軸向沖擊力的作用下接觸壓力普遍高于上扣后的接觸壓力，其中最大接觸壓力達到1 310 MPa，而同樣的接觸位置，上扣后的接觸壓力為614 MPa，在整個臺肩接觸面上，接觸壓力普遍均勻，曲線比較光滑，波動較小。

圖9 臺肩密封處的路徑PATH2

圖10 臺肩處沿路徑PATH2接觸壓力對比

臺肩處軸向位移對比如圖11所示，從圖11可以看出，受到沖擊載荷后臺肩處的節點位移普遍增大，比上完扣后的位移增大0.054 mm左右，說明沖擊載荷對密封面處節點的位置有一定的影響。

圖11 臺肩處沿路徑PATH2軸向位移對比

臺肩處應力對比如圖12 所示，從圖12可以看出，受沖擊載荷后的等效應力比上扣后的等效應力大，受沖擊載荷后臺肩處的軸向應力處于主導作用，同時臺肩處還受到徑向應力的作用，此處的軸向應力普遍要比上扣后的軸向應力和徑向應力高，應力的趨勢基本一致。受沖擊后臺肩處的最大等效應力為758 MPa，上扣后臺肩處的最大等效應力為426 MPa。

圖12 臺肩處沿PATH2處應力對比

能量變化歷程能夠真實地反映試驗中沖擊對特殊螺紋結構的影響。圖13 和圖14 分別為動能和內能隨時間變化曲線。

圖13 動能隨時間變化曲線

圖14 內能隨時間變化曲線

從圖13可以看出，此結構假設無阻尼存在，因此結構會以恒定的振幅持續振動，而且振動會隨著時間的增加趨于停止，在幾十次振動后，振動便消失了，發生的能量損失主要是由于摩擦效果造成的。在默認情況下，總存在體粘性阻尼，但是由于體粘性阻尼很小，所以振動會持續很長一段時間。

同時可以看出，在整個結構受到沖擊載荷時，結構動能總是上下波動，而且在有效時間內，波動并沒有停止，因此，這種情形在圖6中表現為密封面處接觸壓力出現波動，波動趨勢跟動能的波動趨勢一致，剛開始動能很大，隨著時間的進行，由于摩擦力的損耗，能量開始慢慢變小，如果給予足夠長的時間，最終會趨于靜止。

從圖14可以看出，隨著沖擊載荷的作用，內能逐漸增大，由于動能的作用，逐步轉化成結構的變化以及阻尼引起的內能變化。此結構系統中，默認阻尼為體粘性阻尼，所以存在一定的能量消耗。

4 結 論

（1）受到高速沖擊后套管特殊螺紋密封面處接觸壓力產生一些波動，但總體趨勢跟上扣后一致，差別不大。密封面處的節點位移普遍增大，比上扣后的位移增大0.025 mm 左右，說明沖擊載荷對密封面處節點的位置有一定的影響。

（2）密封面處的等效應力普遍高于上扣完成后的等效應力，但是兩者的趨勢基本一致。軸向沖擊作用下臺肩的接觸壓力普遍高于上扣后的接觸壓力，而同樣的接觸位置，在整個臺肩接觸面上，接觸壓力普遍均勻，曲線比較平滑，波動較小。

（3）臺肩處的節點位移普遍增大，比上扣后的位移增大0.054 mm 左右，說明沖擊載荷對密封面處節點的位置有一定的影響。

（4）臺肩處等效應力比上扣后的等效應力大，臺肩處的軸向應力處于主導作用，同時受到徑向應力的作用，此處的軸向應力普遍要比上扣后的軸向應力和徑向應力高，應力的趨勢基本一致。

（5）從能量變化歷程可以看出，特殊螺紋接頭整個結構受到沖擊載荷時，結構的動能總是處于上下波動，密封面處接觸壓力出現波動，波動趨勢跟動能的波動趨勢一致。