螺紋參數(shù)誤差對(duì)鉆桿接頭密封性的影響分析

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目“井下鉆柱失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)”（2019M663865）。

為探究鉆桿接頭螺紋參數(shù)極限誤差對(duì)其密封性的影響，基于API NC38鉆桿接頭，分析了錐度、牙側(cè)角和螺距3種螺紋參數(shù)極限誤差的存在情況，建立了12種內(nèi)、外螺紋極限誤差組合的鉆桿接頭有限元模型，分析了不同誤差組合的鉆桿接頭在上扣扭矩單獨(dú)作用、上扣扭矩和軸向載荷組合作用下的密封性和應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明：螺距極限誤差對(duì)鉆桿接頭密封性影響最為明顯，且極易出現(xiàn)接觸面屈服失效的情況；錐度極限誤差使鉆桿接頭在受拉伸載荷時(shí)密封性顯著降低；內(nèi)外螺紋牙側(cè)角極限誤差變化情況相反時(shí)，鉆桿接頭局部出現(xiàn)塑性變形，影響密封效果。因此鉆桿接頭螺紋加工時(shí)有必要進(jìn)一步控制螺紋參數(shù)的誤差范圍，避免出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限誤差，降低鉆桿接頭密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果可為快速、安全鉆井提供技術(shù)支撐。

鉆桿接頭；錐度極限誤差；牙側(cè)角極限誤差；螺距極限誤差；密封性

TE921

A

016

Influence of Thread Parameter Errors on the Sealing Property of Tool Joints

Cheng Xiaofeng¹ Hou Yongjun¹ Fu Daixuan² Zhang Zhiliang³

（1．School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University; 2．Southwest Branch of China National Logging Corporation; 3．School of Automation，Chengdu University of Information Technology）

In order to investigate the impact of thread parameter limiting errors on the sealing property of tool joints，based on API NC38 tool joint，the existence of three thread parameter limiting errors such as taper，tooth flank angle and pitch were analyzed. A finite element model of tool joint with 12 combinations of internal and external thread limiting errors were built，and the sealing property and stress distribution of tool joints with different error combinations under the action of make-up torque and the coaction of make-up torque and axial load were analyzed. The results show that the limiting error of pitch has the most significant impact on the sealing property of tool joint，and yield failure of the contact surface easily occurs. The limiting error of taper significantly reduces the sealing property of tool joint under tensile load. When the variation of the limiting error of the internal and external thread flank angles is opposite，plastic deformation occurs locally in the tool joint，which affects the sealing effect. During the machining of tool joint thread，the error range of thread parameters needs to be further controlled，so as avoid the occurrence of limiting error specified in the standard，and reduce the risk of sealing failure of tool joints. The research results provide technical support for fast and safe drilling.

tool joint; limiting error of taper; limiting error of tooth flank angle; limiting error of pitch; sealing property

0 引 言

隨著油氣開采需求不斷增加，油氣鉆采條件日益苛刻，鉆桿服役環(huán)境愈加復(fù)雜，而鉆桿接頭螺紋是鉆桿連接中最薄弱的環(huán)節(jié)，鉆桿的失效大多發(fā)生在此處^［1］。鉆桿接頭的密封失效極易誘發(fā)高壓鉆井液從臺(tái)肩面沖蝕出來，從而出現(xiàn)鉆桿接頭刺漏、脹扣等鉆井問題，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失^［2］。因而對(duì)鉆桿接頭密封性的研究具有重要意義。

為防止鉆桿接頭失效，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行了大量分析研究。S.M. ZAMANI^［3］等系統(tǒng)地分析了鉆桿接頭失效的各種原因。A.R.SHAHANI等^［4］分析了鉆桿接頭出現(xiàn)的應(yīng)力集中部位，外螺紋位于靠近臺(tái)肩第一牙嚙合的螺紋牙齒根，內(nèi)螺紋則位于最后一齒的根部。CHEN F.等^［5］分析了鉆桿工作載荷極限，并提出了一種確定鉆桿接頭螺紋在復(fù)雜載荷下扭轉(zhuǎn)極限的新方法。CHEN J.H.等^［6］考慮了溫度對(duì)鉆桿接頭的影響，采用熱力耦合模型和隱顯轉(zhuǎn)換方法對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行了有限元分析。也有不少學(xué)者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各種復(fù)雜載荷工況方面對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行力學(xué)性能分析^［7-9］。特殊接頭螺紋的密封性能研究是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。竇益華等^［10］考慮了動(dòng)載荷條件下2種不同密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋油管接頭的密封特性。曹夢(mèng)雨等^［11］主要從復(fù)雜工況與密封面結(jié)構(gòu)變化方面對(duì)鉆桿接頭密封性能進(jìn)行分析。WANG C.L.等^［12］從結(jié)構(gòu)完整性和緊密性2個(gè)方面對(duì)特殊螺紋接頭進(jìn)行研究，直觀地量化螺紋接頭的密封性能。CHEN W.等^［13］研究了油管和套管螺紋接頭的密封性能，深入分析了在復(fù)合載荷作用下油、套管螺紋接頭的密封機(jī)理。而針對(duì)鉆桿接頭螺紋參數(shù)誤差帶來的影響分析研究并不多。董亮亮等^［14］研究了切削熱所引起的加工誤差對(duì)鉆桿接頭連接強(qiáng)度的影響。CHENG J.H.等^［15］分析了過盈對(duì)鉆桿體與鉆具接頭組件極限強(qiáng)度的影響及失效模式。

以上研究主要對(duì)鉆桿接頭力學(xué)性能以及套管的密封性進(jìn)行分析，而對(duì)鉆桿接頭密封性分析不多。本文以API NC38接頭螺紋為研究對(duì)象，考慮鉆桿接頭螺紋參數(shù)的極限誤差，分析其在上扣扭矩作用后，在軸向載荷工況下，不同螺紋參數(shù)極限誤差對(duì)鉆桿接頭密封性的影響。這對(duì)鉆桿接頭螺紋參數(shù)公差的優(yōu)化控制、保證鉆桿接頭的密封性和提高鉆井速度等都具有重要的意義。

1 鉆桿接頭的密封機(jī)理

鉆桿接頭的密封功能主要依靠臺(tái)肩的金屬-金屬之間的表面彈性過盈配合而實(shí)現(xiàn)。眾多專家研究了金屬-金屬的密封性能，這里結(jié)合以往的研究結(jié)果，同時(shí)采用密封指數(shù)和Mises應(yīng)力2個(gè)指標(biāo)作為鉆桿接頭密封性能判斷的依據(jù)。

1.1 密封指數(shù)

為了綜合考慮接觸壓力與接觸長(zhǎng)度對(duì)鉆桿接頭密封效果的影響，引入密封指數(shù)作為密封性能判斷依據(jù)。在加工過程中，密封面不存在絕對(duì)光滑的情況，密封面的表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致配合后依然有間隙。根據(jù)流體力學(xué)理論，密封面之間的間隙截面積和泄漏路徑的長(zhǎng)度，決定了流體通過間隙時(shí)產(chǎn)生的局部阻力ΔF^［16］。

ΔF∝Δl/S（1）

式中：Δl為泄漏路徑長(zhǎng)度，mm；S為間隙截面積，mm²。

接觸面上的接觸壓力越大，間隙的截面積就小，若二者成比例，則有：

ΔF∝p_tΔl（2）

式中：p_t為接觸壓力，MPa。

泄漏阻力相當(dāng)于沿著泄漏路徑累計(jì)的接觸壓力，當(dāng)氣體或液體通過間隙時(shí)，產(chǎn)生的阻力為：

ΔF∝∫p_tdl（3）

所以，鉆桿接頭的密封能力可以通過臺(tái)肩面上有效密封長(zhǎng)度L_es上接觸壓力積分得到^［17］，用密封指數(shù)W表示為：

W=∫_Lesp_tdL（4）

對(duì)比油管特殊螺紋接頭臨界密封指數(shù)^［18］，考慮在有螺紋脂時(shí)的鉆桿接頭臨界密封指數(shù)為：

W_ac=1.843×p_gp_a^1.177（5）

式中：p_g為密封壓力，MPa；p_a為大氣壓力，MPa。

由于鉆桿在井下作業(yè)同時(shí)受到鉆井液和環(huán)空壓力的影響，因而想要達(dá)到密封效果，密封壓力應(yīng)該大于鉆桿內(nèi)外的壓差^［19］。這里的臨界密封壓力分別取鉆桿內(nèi)外壓差為0、10及20 MPa^［20］，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的臨界密封指數(shù)，如表1所示。顯然，要保證鉆桿接頭的密封性，需要讓W(xué)≥W_ac。

1.2 Mises應(yīng)力

密封面上的最大Mises應(yīng)力過大時(shí)接觸面容易出現(xiàn)塑性屈服，進(jìn)而導(dǎo)致密封接觸面發(fā)生黏結(jié)。因此，為保證鉆桿接頭的密封可靠性，鉆桿接頭的Mises應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服強(qiáng)度^［21］。

基于以上密封機(jī)理，綜合分析鉆桿接頭在上扣扭矩和軸向載荷作用下，不同螺紋參數(shù)誤差對(duì)鉆桿接頭密封性的影響。

2 鉆桿接頭螺紋極限誤差分析

2.1 錐度極限誤差

選用的NC38鉆桿接頭螺紋的基本參數(shù)是：錐度為1∶6，螺距為6.35 mm，牙側(cè)角為30°^［22］。鉆桿接頭外螺紋和內(nèi)螺紋錐度公差為：在全牙高螺紋范圍內(nèi)，平均錐度偏差分別為^{+0.002 5₀ mm/mm}和⁰_{-0.002 5 mm/mm}。圖1所示為外螺紋錐度極限誤差示意圖。維持螺紋測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)中徑不變，依據(jù)錐度公式對(duì)錐度偏差進(jìn)行計(jì)算，得出鉆桿接頭螺紋大端中徑，進(jìn)而計(jì)算出內(nèi)外螺紋極限錐度。錐度公式為：

式中：t_pr為螺紋錐度，mm/mm；L為測(cè)量基準(zhǔn)面到臺(tái)肩的距離，mm；d₀為測(cè)量基準(zhǔn)面處的理想中徑，mm；d為測(cè)量基準(zhǔn)面處的實(shí)際中徑，mm；D₀為螺紋大端理想中徑，mm；D為螺紋大端實(shí)際中徑，mm。

由此確定如表2所示的錐度極限誤差下的螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，鉆桿接頭外螺紋、內(nèi)螺紋錐度分別用錐度Ⅰ、Ⅱ表示。

2.2 牙側(cè)角極限誤差分析

選用牙側(cè)角θ的公差范圍為±0.75°^［22］。圖2所示為牙側(cè)角變化的一種極限誤差形式。實(shí)際牙側(cè)角與理論牙側(cè)角的差值為螺紋牙側(cè)角誤差，用Δθ表示。

螺紋牙側(cè)角誤差包括牙側(cè)角左右兩側(cè)誤差，可分為兩側(cè)牙側(cè)角等值變化與不等值變化誤差。這里考慮內(nèi)外螺紋兩側(cè)牙側(cè)角均等值變化的情況，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。其中，外螺紋、內(nèi)螺紋牙側(cè)角分別用牙側(cè)角Ⅰ、Ⅱ表示。

2.3 螺距極限誤差分析

國(guó)標(biāo)規(guī)定的螺距公差要求在全牙高螺紋范圍內(nèi)，螺距累計(jì)偏差不超過±0.114 mm^［22］。鉆桿接頭螺紋螺距受實(shí)際加工條件不同影響較大，會(huì)出現(xiàn)螺距誤差均勻變化與只有某個(gè)或某幾個(gè)螺紋牙出現(xiàn)誤差的隨機(jī)變化情況。圖3所示為螺距誤差示意圖。

考慮幾何建模的可行性，本研究分析內(nèi)外螺紋在全牙高螺紋范圍內(nèi)螺距誤差變化的情況，將螺距累計(jì)偏差平均到每個(gè)螺紋牙上，因此所有螺距誤差均取ΔP=±0.008 1mm。鉆桿接頭螺紋結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如表4所示。其中，鉆桿接頭外螺紋、內(nèi)螺紋螺距分別用螺距Ⅰ、Ⅱ表示。

3 鉆桿接頭有限元計(jì)算模型

3.1 鉆桿接頭模型簡(jiǎn)化

有限元計(jì)算模型采用外徑為127.0 mm，內(nèi)徑為61.9 mm的NC38鉆桿接頭。針對(duì)前面分析的螺紋參數(shù)極限誤差存在情況，分別建立不同參數(shù)誤差的鉆桿接頭有限元模型。因該鉆桿接頭螺紋升角較小，為提高計(jì)算效率所以采用二維軸對(duì)稱模型建模分析。根據(jù)圣維南原理，建模時(shí)所取的接頭長(zhǎng)度為2倍螺紋小端至螺紋大端消失點(diǎn)的距離。假設(shè)：①鉆桿接頭為各向同性、連續(xù)的均質(zhì)體；②在外螺紋一端施加固定邊界條件；③載荷作用時(shí)，在內(nèi)螺紋一端施加外載荷；④采用罰函數(shù)法定義庫(kù)倫摩擦形式的切向接觸邊界，法向接觸設(shè)為“硬”接觸。鉆桿接頭模型如圖4a所示。

網(wǎng)格單元?jiǎng)澐诸愋蜑镃AX4R 4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元，并對(duì)螺紋牙、扭矩臺(tái)肩進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格單元數(shù)量為19 393個(gè)，其中外接頭有9 526個(gè)網(wǎng)格單元，內(nèi)接頭有9 867個(gè)網(wǎng)格單元。網(wǎng)格單元如圖4b所示。

鉆桿接頭材料為37CrMnMo，彈性模量為206" GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為931 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 035 MPa。考慮到含質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～60%鋅粉末螺紋脂的影響，鉆桿接頭螺紋各接觸面摩擦因數(shù)取0.08^［23］。

3.2 有限元模型驗(yàn)證

二維軸對(duì)稱模型無法直接施加上扣扭矩，筆者采用在臺(tái)肩面設(shè)置過盈量的方法在有限元模型中模擬上扣扭矩^［24］。根據(jù)API上扣扭矩計(jì)算公式：

T=SA12P2π+R_t fcos θ+R_S f（7）

R_t=C+C-L_PC-0.625×t_pr×1/124（8）

R_S=D_O+Q_C4（9）

式中：T為鉆柱接頭上扣扭矩，kN·m；S為API推薦上扣扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa；A為第一嚙合螺紋牙根處橫截面面積較小值，mm²；R_S為整體平均臺(tái)肩半徑，mm；R_t為平均螺紋半徑，mm；P為螺距，mm；f為外接頭與內(nèi)接頭有效嚙合齒接觸面摩擦因數(shù)；θ為牙型半角，（°）；C為基面中徑，mm；t_pr為錐度，mm/mm；L_PC為外接頭外螺紋長(zhǎng)度，mm；D_O為鉆柱接頭外徑，mm；Q_C為鉆柱接頭鏜孔直徑，mm。

計(jì)算得T=21.5 kN·m，進(jìn)一步換算可得出臺(tái)肩過盈量為0.1 mm。上扣后鉆桿接頭的Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

最大Mises應(yīng)力為578.78 MPa，在材料屈服強(qiáng)度的60%左右，符合工程經(jīng)驗(yàn)^［25］，驗(yàn)證了模型的有效性。

比較何體財(cái)^［26］理論模型計(jì)算的NC38接頭在上扣狀態(tài)下螺紋接觸面的接觸壓力分布規(guī)律。將本文有限元計(jì)算（數(shù)值仿真）結(jié)果與其理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，2種方法計(jì)算的螺紋牙接觸壓力變化趨勢(shì)相同，整體符合度較高，兩者之間的最大誤差為9.72%，在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本有限元計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 上扣狀態(tài)下螺紋參數(shù)誤差對(duì)鉆桿密封性影響

4.1.1 錐度誤差的影響

上扣扭矩作用下不同錐度極限誤差的鉆桿接頭Mises應(yīng)力云圖如圖7所示。可見錐度誤差對(duì)鉆桿接頭僅作用上扣扭矩時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律影響不大，應(yīng)力集中部位仍位于靠近臺(tái)肩的前幾個(gè)螺紋牙處。

通過提取臺(tái)肩面路徑上的接觸壓力值并沿實(shí)際接觸路徑積分得到密封指數(shù)。同時(shí)提取各接頭最大Mises應(yīng)力值，統(tǒng)計(jì)數(shù)值如圖8所示。由圖8可知，錐度極限誤差對(duì)接頭的最大Mises應(yīng)力影響不大。最大變化為組合Ⅰ時(shí)鉆桿接頭的最大Mises應(yīng)力從理想狀態(tài)的579 MPa增大到603 MPa，增加幅度為4.1%，但均在材料屈服強(qiáng)度的60%以內(nèi)，螺紋僅在上扣扭矩作用下處于安全狀態(tài)。

同時(shí)各結(jié)構(gòu)的密封指數(shù)均高于臨界密封指數(shù)，能夠達(dá)到密封效果。但錐度極限誤差使密封指數(shù)較理想錐度出現(xiàn)下降，最大可降低36%，錐度極限誤差不利于接頭上扣狀態(tài)的密封性。

4.1.2 牙側(cè)角誤差的影響

牙側(cè)角誤差存在時(shí)的鉆桿接頭Mises應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)內(nèi)外螺紋牙側(cè)角誤差變化相反（組合Ⅰ和Ⅱ）時(shí)，對(duì)鉆桿接頭整體的應(yīng)力分布影響較大，應(yīng)力集中部位規(guī)律地分布在螺紋牙上部或是下部。這主要是因?yàn)樵谏峡圻^程中，牙側(cè)角誤差導(dǎo)致螺紋牙局部發(fā)生過盈接觸，進(jìn)而出現(xiàn)螺紋牙過盈接觸部位應(yīng)力集中現(xiàn)象。鉆桿接頭的最大Mises應(yīng)力達(dá)到935 MPa，較理想狀態(tài)增加61.5%。

當(dāng)內(nèi)外螺紋牙側(cè)角極限誤差變化相同（組合Ⅲ和Ⅳ）時(shí)，鉆桿接頭應(yīng)力分布規(guī)律同理想結(jié)構(gòu)基本相同。這是因?yàn)榇藭r(shí)內(nèi)外螺紋牙嚙合部位牙側(cè)角相同，可以完整嚙合。可見牙側(cè)角誤差對(duì)鉆桿接頭應(yīng)力分布有較大影響。

牙側(cè)角誤差上扣狀態(tài)下密封指數(shù)和Mises應(yīng)力圖如圖10所示。由圖10可知，牙側(cè)角極限誤差對(duì)鉆桿接頭上扣狀態(tài)的密封性影響不大，密封指數(shù)均大于臨界密封指數(shù)。但內(nèi)外螺紋不同牙側(cè)角誤差會(huì)導(dǎo)致接頭最大Mises應(yīng)力接近或略微超過材料屈服強(qiáng)度，鉆桿接頭容易發(fā)生局部塑性變形，使得接頭密封可靠性降低。

4.1.3 螺距誤差的影響

不同螺距誤差時(shí)鉆桿接頭的Mises應(yīng)力分布云圖如圖11所示。由圖11可知，鉆桿接頭螺紋參數(shù)為組合Ⅰ和Ⅲ時(shí)，最大Mises應(yīng)力增加顯著，其值分別為931和925" MPa，接近材料屈服強(qiáng)度，為理想狀態(tài)的160.8%和159.8%。這是因?yàn)橥饴菁y螺距誤差的增加會(huì)導(dǎo)致靠近臺(tái)肩面處應(yīng)力集中的部位應(yīng)力集中更明顯（組合Ⅰ和Ⅲ），而內(nèi)螺紋螺距的增加則會(huì)影響螺紋最后幾牙的應(yīng)力集中（組合Ⅱ）。

不同螺距誤差對(duì)鉆桿接頭上扣狀態(tài)的密封性影響如圖12所示。由圖12可知，外螺紋螺距的增加會(huì)增強(qiáng)接頭密封可靠性，最大密封指數(shù)比理想狀態(tài)增大104.5%。但此時(shí)接觸面和螺紋牙存在Mises應(yīng)力較大的情況，容易造成密封面或螺紋牙在上扣時(shí)就出現(xiàn)損傷。而外螺紋螺距的減小會(huì)使接頭密封指數(shù)有較大下降，甚至是不具有密封性（組合Ⅳ），密封失效風(fēng)險(xiǎn)較高。

4.2 軸向載荷下螺紋參數(shù)誤差對(duì)鉆桿密封性影響

4.2.1 錐度誤差的影響

對(duì)鉆桿接頭在上扣扭矩的基礎(chǔ)上以200 kN增量逐步增加軸向拉伸載荷，密封指數(shù)隨拉伸載荷的變化如圖13a所示。

由圖13a可知，在拉伸載荷作用下，密封臺(tái)肩面接觸壓力逐漸降低，而錐度誤差使鉆桿接頭隨拉伸載荷的增大密封性能快速下降。其中，當(dāng)內(nèi)螺紋錐度減小（組合Ⅱ）時(shí)，密封指數(shù)均低于內(nèi)外壓差為20 MPa的臨界密封指數(shù)，顯著降低了鉆桿接頭的密封性能。內(nèi)外螺紋同時(shí)為極限錐度誤差（組合Ⅲ）時(shí)，密封指數(shù)一直處于較低值，并在拉伸載荷作用下快速失去密封能力。由圖13b可知，3種誤差結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力在拉伸載荷增大的過程中，均逐漸接近材料屈服強(qiáng)度，高于理想結(jié)構(gòu)的數(shù)值。特別是組合Ⅲ，最大Mises應(yīng)力數(shù)值變化幅度最大，最大應(yīng)力為907 MPa。

4.2.2 牙側(cè)角誤差的影響

牙側(cè)角誤差下密封指數(shù)和最大Mises應(yīng)力曲線如圖14所示。

由圖14a可知，幾種牙側(cè)角極限誤差組合結(jié)構(gòu)的密封指數(shù)隨軸向拉伸載荷增加的變化趨勢(shì)同理想結(jié)構(gòu)一樣，且整體數(shù)值相差不大，最大差值為理想狀態(tài)的14.7%。由圖14b可知，內(nèi)外螺紋牙側(cè)角誤差變化情況相反的結(jié)構(gòu)（組合Ⅰ和Ⅱ），二者的最大Mises應(yīng)力均隨軸向拉伸載荷的增大，一直處于較高數(shù)值，遠(yuǎn)高于理想結(jié)構(gòu)和組合Ⅲ、Ⅳ，其最大值為938.2 MPa，已經(jīng)超過材料屈服強(qiáng)度。鉆桿接頭局部會(huì)出現(xiàn)一定量的塑性變形，影響密封可靠性。內(nèi)外螺紋牙側(cè)角誤差變化情況一致（組合Ⅲ和Ⅳ）時(shí)，各螺紋牙接觸面初始過盈或間隙相同，且數(shù)值遠(yuǎn)小于螺紋牙尺寸。因此二者最大Mises應(yīng)力數(shù)值變化趨勢(shì)同理想結(jié)構(gòu)一致。

4.2.3 螺距誤差的影響

螺距誤差下密封指數(shù)和最大Mises應(yīng)力曲線如圖15所示。

由圖15a可知，鉆桿接頭螺距極限誤差的存在對(duì)接頭密封性能有顯著影響。其中密封指數(shù)受外螺紋螺距變化影響最大。當(dāng)外螺紋螺距為極限螺距（組合Ⅰ和Ⅲ）時(shí)，密封指數(shù)整體高于臨界密封指數(shù)，密封性能好且在各內(nèi)外壓差情況下均不會(huì)發(fā)生泄漏。同時(shí)，組合Ⅲ密封可靠性最高，最高密封指數(shù)為理想狀態(tài)的146.1%。當(dāng)外螺紋螺距減小（組合Ⅱ和Ⅳ）時(shí)，密封指數(shù)明顯低于理想結(jié)構(gòu)，密封性能很差。尤其是內(nèi)外螺紋螺距均減小的結(jié)構(gòu)（組合Ⅳ），在拉伸載荷為350 kN時(shí)便不具有密封性能。這與上扣狀態(tài)下的影響因素相同，因此需要提高加工精度，盡量控制螺距誤差在較低范圍。

由圖15b可知，外螺紋螺距變化同樣對(duì)鉆桿接頭最大Mises應(yīng)力影響較大。當(dāng)外螺紋螺距增大時(shí)（組合Ⅰ和Ⅲ），最大Mises應(yīng)力均隨拉伸載荷增加至接近或略微超過材料屈服強(qiáng)度，已經(jīng)發(fā)生局部屈服失效；當(dāng)外螺紋螺距減小（組合Ⅱ和Ⅳ）時(shí)，最大Mises應(yīng)力不高，均低于材料屈服強(qiáng)度，處于安全狀態(tài)。

5 結(jié) 論

（1）錐度極限誤差會(huì)使鉆桿接頭在上扣狀態(tài)和軸向載荷作用下的密封性下降，特別是內(nèi)螺紋錐度極限誤差對(duì)鉆桿接頭密封性影響較大，密封性能顯著下降甚至不具有密封效果。

（2）牙側(cè)角極限誤差對(duì)鉆桿接頭在上扣狀態(tài)和軸向載荷作用下密封性影響不大，但當(dāng)內(nèi)外螺紋牙側(cè)角極限誤差變化情況不一致時(shí)，鉆桿接頭最大Mises應(yīng)力一直處于較高數(shù)值，接近或略微超過材料屈服強(qiáng)度，局部容易出現(xiàn)塑性變形。

（3）螺距極限誤差會(huì)顯著影響鉆桿接頭的密封性能以及應(yīng)力分布。其中，外螺紋螺距誤差的變化對(duì)接頭密封性影響最大。外螺紋螺距誤差為上或下極限偏差時(shí)，在上扣狀態(tài)和軸向載荷作用下密封性能顯著提高或降低，接頭局部已發(fā)生屈服失效，容易出現(xiàn)密封面黏結(jié)和損傷等不利現(xiàn)象。

（4）幾種螺紋參數(shù)極限誤差中，螺距極限誤差對(duì)鉆桿接頭的密封性能影響最大，錐度極限誤差其次，牙側(cè)角極限誤差影響最小。錐度極限誤差使鉆桿接頭僅在上扣狀態(tài)可處于安全狀態(tài)。牙側(cè)角極限誤差和螺距極限誤差會(huì)導(dǎo)致鉆桿接頭在上扣狀態(tài)和軸向載荷作用下均出現(xiàn)局部屈服失效的情況，影響結(jié)構(gòu)的安全性。

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第一作者簡(jiǎn)介：程曉峰，生于1998年，現(xiàn)為在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛途芰W(xué)研究及結(jié)構(gòu)可靠性分析。地址：（610500）四川省成都市。email：2481835330@qq.com。

通信作者：侯勇俊，教授。email：yongjunhou@126. com。