陳守俊,桑勝舉,2,張毅,安琦

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237;2.泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山東泰安 271021; 3.無(wú)錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司,江蘇無(wú)錫 214028)

套管螺紋牙齒面接觸應(yīng)力分布研究

陳守俊1,桑勝舉1,2,張毅3,安琦1

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237;2.泰山學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山東泰安 271021; 3.無(wú)錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司,江蘇無(wú)錫 214028)

以P-110S圓錐管螺紋聯(lián)接為計(jì)算實(shí)例,利用ABAQUS大型有限元分析軟件,建立了圓錐管套管接頭的彈塑性軸對(duì)稱接觸有限元模型.通過(guò)有限元分析得到了套管接頭在不同的使用工況(包括過(guò)盈、施加軸向拉伸載荷等)下螺紋牙整體的應(yīng)力分布規(guī)律;同時(shí)以圓錐管螺紋接觸齒面為研究對(duì)象,得到了螺紋牙導(dǎo)向面和承載面上從齒頂?shù)烬X根的應(yīng)力分布趨勢(shì).

套管螺紋;有限元分析;過(guò)盈;應(yīng)力分布;接觸齒面

0 引言

圓錐管螺紋在油氣田領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.目前石油工業(yè)中的油套管普遍采用1:16的圓錐管螺紋聯(lián)接, 80%的油管失效發(fā)生在油管螺紋的聯(lián)接處[1].因此,螺紋接頭是油管聯(lián)接中最薄弱的環(huán)節(jié),提高油管螺紋的質(zhì)量對(duì)保證油井正常工作起著關(guān)鍵作用.

本文以P-110S圓錐管螺紋為例,利用ABAQUS大型有限元分析軟件,建立了圓錐管套管接頭的彈塑性軸對(duì)稱接觸有限元模型.在建模過(guò)程中引入過(guò)盈量,通過(guò)有限元分析得到了套管接頭在不同的使用工況(包括過(guò)盈、施加軸向拉伸載荷等)下螺紋牙整體的應(yīng)力分布規(guī)律;同時(shí)以圓錐管螺紋接觸齒面為研究對(duì)象,得到了螺紋牙導(dǎo)向面和承載面上從齒頂?shù)烬X根的應(yīng)力分布趨勢(shì).

1 有限元模型的建立

本文以APIφ88.9mm×2.54mm P-110S鋼級(jí)的圓錐套管為研究對(duì)象,套管聯(lián)接的幾何尺寸見(jiàn)API SPEC 5CT[2]和APISPEC 5B[3]標(biāo)準(zhǔn),套管材料的力學(xué)特性見(jiàn)表1.根據(jù)套管接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn),在有限元建模時(shí)引入以下簡(jiǎn)化和假設(shè):

(1)忽略螺旋升角的影響,采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)(ABAQUS關(guān)于Y軸對(duì)稱);

(2)接觸面之間的摩擦系數(shù)與采用的螺紋脂有關(guān),一般為0.015～0.025[4]之間,本次計(jì)算假定摩擦系數(shù)為0.02.

根據(jù)以上假設(shè),將套管接頭作為軸對(duì)稱問(wèn)題處理.采用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格和分析,選用的單元類型為CAX8R(8節(jié)點(diǎn)二階軸對(duì)稱縮減積分單元),模型的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,有限元建模和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1、圖2.

表1 模型的材料特性

圖1 有限元模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2 有限元計(jì)算結(jié)果

2.1 過(guò)盈圈數(shù)對(duì)齒面應(yīng)力的影響

圓錐管螺紋聯(lián)接在過(guò)盈聯(lián)接時(shí),在螺紋齒面上均會(huì)產(chǎn)生分布復(fù)雜的徑向應(yīng)力和接觸應(yīng)力.圖3和圖4分別表示了螺紋導(dǎo)向面和承載面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力隨過(guò)盈圈數(shù)的變化.

由圖3和圖4可見(jiàn),在過(guò)盈聯(lián)接中,螺紋導(dǎo)向面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力均呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布趨勢(shì),而螺紋承載面上靠近管體端面的第1、第2圈螺紋牙的徑向應(yīng)力和接觸壓力比較高.當(dāng)過(guò)盈圈數(shù)較小時(shí),各螺紋牙嚙合齒面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力的差別不明顯,圓錐管螺紋聯(lián)接的應(yīng)力分布相對(duì)比較均勻.隨著過(guò)盈圈數(shù)的逐漸增加,螺紋導(dǎo)向面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力逐漸升高,尤其是距管體端面的第1、第2圈以及第15、第16圈螺紋牙上的徑向應(yīng)力和接觸壓力增加最快,而螺紋承載面上距管體端面的前3圈螺紋牙上的徑向應(yīng)力和接觸壓力增加較快,后面十幾圈螺紋牙上的應(yīng)力分布較平穩(wěn),管體兩端承載面螺紋牙上的徑向應(yīng)力和接觸壓力分布開始不均勻.

圖3 過(guò)盈聯(lián)接中導(dǎo)向面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力分布

圖4 過(guò)盈聯(lián)接中承載面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力分布

2.2 軸向載荷對(duì)齒面應(yīng)力的影響

在過(guò)盈聯(lián)接中施加軸向載荷時(shí),導(dǎo)向面和承載面上的接觸壓力相差很大,接觸壓力的分布關(guān)于螺紋牙的中心線不對(duì)稱.從圖4(b)上可以看到,在過(guò)盈三圈時(shí),距管體端面第1圈螺紋牙承載面上的接觸壓力達(dá)到672M Pa,已經(jīng)很接近P110-S的屈服極限了,如果施加很大的軸向載荷,就容易使管體螺紋牙發(fā)生塑性變形.圖5至圖7分別表示了不同過(guò)盈圈數(shù)下軸向載荷對(duì)于螺紋牙接觸壓力的影響.

由圖5可見(jiàn),過(guò)盈一圈并施加較小的軸向載荷(100M Pa)時(shí),軸向載荷對(duì)螺紋導(dǎo)向面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力影響不大,由于軸向載荷的作用使得管體和接箍螺紋導(dǎo)向面的接觸緊密度降低,因此導(dǎo)向面上接觸壓力略有降低.對(duì)于承載面,接觸壓力隨載荷的增加而增大.隨著軸向載荷的增大,螺紋導(dǎo)向面和承載面上的應(yīng)力變化明顯,當(dāng)軸向載荷增大到300M Pa時(shí),對(duì)導(dǎo)向面而言,前9圈螺紋牙導(dǎo)向面上的接觸壓力降低為0,這表明前9圈螺紋牙導(dǎo)向面全部脫離接觸,后幾圈螺紋牙導(dǎo)向面的接觸壓力也大大減小;當(dāng)軸向載荷增大到500M Pa時(shí),從圖5(b)可以看到16圈螺紋牙導(dǎo)向面全部脫離了接觸,接觸壓力全部降為0,而承載面上的接觸壓力隨著軸向載荷的增大而增大.

由圖6可見(jiàn),過(guò)盈兩圈時(shí),管體和接箍螺紋導(dǎo)向面間的接觸更為緊密,從圖6(a)可以看見(jiàn)當(dāng)軸向載荷增大到500M Pa時(shí),前9圈螺紋牙導(dǎo)向面全部脫離接觸,導(dǎo)向面上的接觸壓力降低為0,而過(guò)盈一圈時(shí)只需要300M Pa就能使前9圈螺紋牙導(dǎo)向面脫離接觸.對(duì)于承載面而言,承載面上的接觸壓力仍然隨著軸向載荷的增大而增大.

由圖7可見(jiàn),過(guò)盈三圈時(shí),對(duì)于導(dǎo)向面而言,在500M Pa的軸向載荷下,前4圈螺紋牙導(dǎo)向面發(fā)生脫離,接觸壓力降為0.對(duì)于承載面而言,總的趨勢(shì)是接觸壓力隨著軸向載荷的增大而增大,但是對(duì)于距管體第1圈的螺紋牙,情況有所不同.觀察圖7(b)可以發(fā)現(xiàn),施加100M Pa的軸向載荷時(shí),第1圈螺紋牙的接觸壓力升高,但是當(dāng)施加軸向載荷至300M Pa和500M Pa時(shí),第1圈螺紋牙的接觸壓力反而下降,而第2圈螺紋牙的接觸壓力則有較大幅度的提高.究其原因是這時(shí)第1圈螺紋牙處已經(jīng)超過(guò)了材料的屈服極限,發(fā)生了塑性變形,導(dǎo)致了第1圈螺紋牙承受的載荷向第2圈螺紋牙轉(zhuǎn)移,因此容易使螺紋聯(lián)接出現(xiàn)粘扣、滑脫等失效現(xiàn)象.

2.3 接觸齒面應(yīng)力分布

除了用有限元分析圓錐螺紋聯(lián)接的整體受力分布,本文還以螺紋牙接觸齒面為研究對(duì)象,分析螺紋聯(lián)接在過(guò)盈以及軸向載荷下接觸齒面上的應(yīng)力分布規(guī)律.圖8到圖13分別顯示了過(guò)盈兩圈和三圈時(shí)不同螺紋牙上導(dǎo)向面和承載面上的齒面應(yīng)力分布.

由圖8到圖10可見(jiàn),螺紋牙接觸齒面的應(yīng)力分布整體呈現(xiàn)兩端高、中間低的特點(diǎn),在螺紋牙圓角和齒面過(guò)渡的地方,由于存在幾何尺寸的不連續(xù),在過(guò)盈時(shí)會(huì)嵌入到接箍螺紋接觸面中,因此會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生,這也正是接觸應(yīng)力分布中兩個(gè)極大值產(chǎn)生的原因.但是由于彈性變形的作用,在較小的載荷作用下不一定會(huì)發(fā)生塑性變形.過(guò)盈兩圈時(shí),隨著軸向載荷的增大,螺紋牙導(dǎo)向面上的接觸應(yīng)力逐漸減小,這是由于導(dǎo)向面之間的接觸在軸向載荷作用下不緊密所致,而承載面上的接觸應(yīng)力則隨著軸向載荷的增大而增大.

由圖7(b)以及圖11到圖13可見(jiàn),過(guò)盈三圈并施加100MPa的軸向載荷時(shí),第1圈螺紋牙的接觸壓力升高,但是當(dāng)施加軸向載荷至300MPa和500M Pa時(shí),第1圈螺紋牙的接觸壓力反而下降,而第2圈螺紋牙的接觸壓力則有較大幅度的提高.究其原因是這時(shí)第1圈螺紋牙處已經(jīng)超過(guò)了材料的屈服極限,發(fā)生了塑性變形,導(dǎo)致了第1圈螺紋牙承受的載荷向第2圈螺紋牙轉(zhuǎn)移.觀察圖11(b)后也發(fā)現(xiàn),螺紋牙承載面上的接觸應(yīng)力隨著載荷的增大而降低,這表明第一牙的確發(fā)生了塑性變形,承載能力有所下降,第二牙的承載能力上升.

總體來(lái)看,對(duì)于理想狀態(tài)下的圓錐管螺紋聯(lián)接而言,螺紋在過(guò)盈聯(lián)接以及承受軸向拉伸載荷下,螺紋牙齒面上的徑向應(yīng)力和接觸應(yīng)力的分布均呈現(xiàn)兩端高、中間低的趨勢(shì),而且兩端的應(yīng)力分布都遠(yuǎn)大于中間的部分.這種分布說(shuō)明圓錐管螺紋聯(lián)接所承受的載荷大部分集中在兩端少數(shù)的幾顆螺紋牙上,中間大部分螺紋牙并沒(méi)有被有效的利用起來(lái)承擔(dān)載荷.同時(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中也進(jìn)一步證明了螺紋失效主要集中在聯(lián)接的兩端,尤其是大端的少數(shù)幾顆螺紋牙上.由于這種分布的不合理,使各個(gè)螺紋牙沒(méi)有很好的發(fā)揮潛力,導(dǎo)致螺紋聯(lián)接過(guò)早的出現(xiàn)失效.

3 結(jié)論

本文以P-110S圓錐管螺紋為例,利用ABAQUS大型有限元分析軟件,建立了圓錐管套管接頭的彈塑性軸對(duì)稱接觸有限元模型.通過(guò)有限元分析表明,過(guò)盈聯(lián)接時(shí),螺紋聯(lián)接整體導(dǎo)向面和承載面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力均呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布趨勢(shì).當(dāng)過(guò)盈圈數(shù)較小時(shí),各螺紋牙嚙合齒面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力的差別不明顯,圓錐管螺紋聯(lián)接的應(yīng)力分布相對(duì)比較均勻;隨著過(guò)盈圈數(shù)逐漸增加,螺紋嚙合齒面上的徑向應(yīng)力和接觸壓力逐漸升高,尤其是套管聯(lián)接兩端螺紋牙上的徑向應(yīng)力和接觸壓力增加最快,各螺紋牙上的徑向應(yīng)力和接觸壓力分布出現(xiàn)不均勻.在過(guò)盈聯(lián)接中施加軸向載荷,當(dāng)過(guò)盈圈數(shù)和軸向載荷較小時(shí),螺紋牙導(dǎo)向面上的接觸壓力變化不大;當(dāng)過(guò)盈圈數(shù)和軸向載荷較大時(shí),螺紋導(dǎo)向面間的接觸容易脫離,螺紋承載面上的螺紋牙容易發(fā)生塑性變形.圓錐管螺紋聯(lián)接所承受的載荷大部分集中在兩端少數(shù)的幾顆螺紋牙上,中間大部分螺紋牙并沒(méi)有被有效的利用起來(lái)承擔(dān)載荷,這種分布的不合理,使各個(gè)螺紋牙沒(méi)有很好的發(fā)揮潛力,導(dǎo)致螺紋聯(lián)接過(guò)早的出現(xiàn)失效.

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Research of Con tact StressD istr ibution on Thread Teeth Surfacesa t Threaded Connections

CHEN Shou-jun1,SANG Sheng-ju1,2,ZHANG Yi3,AN Q i1
(1.SchoolofM echanical and Pow er Engineering,EastChinaUniversity of Science and Techno logy,Shanghai,200237;
2.Schoolof Inform ation Science&Techno logy,Taishan University,Tai’an,271021;
3.W uxi Seam lessO il Pipe Co.,L td,W uxi,214028,China)

Tak ing P-110S conic th readed connec tions as a calcu lating exam p le and using the large finite elem ent analysis software ABAQUS,a finite elem en tmodelw ith elastic-p lastic axisymm etric contactp rob lem w as estab lished.By use of the finite elem entanalysis,the stress distribution on thread teethwasanalyzed under different kindsof conditions,such as interference fitandm ake-up w ith tensile load p rocess.And taking the con tac t teeth su rface as research ob jec t,the stress d istribu tion from teeth top to teeth roo ton o rien ted and load ing flank wasobtained.

threaded connections;finite elem ent analysis;interference fit;stress distribution;contact teeth surface

TH123.4;TH131.1;TE256.9

A

1672-2590(2010)03-0049-07

2010-04-17

陳守俊(1985-),男,上海人,華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士研究生.