曹銀萍，張福祥，楊向同，于 洋

（1.西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710065；2.中國石油塔里木油田分公司，庫爾勒 841000）

0 引言

隨著深井、超深井、高溫高壓氣井、熱采井以及含有H2S和CO2腐蝕介質(zhì)井等高難度井的開發(fā)，按照API(美國石油學(xué)會)標準制造的接頭由于其連接強度不高和氣密封性能差等原因已不能滿足石油工業(yè)的要求[1,2]。因此，具有良好連接和密封性能的特殊螺紋油套管得到了廣泛的應(yīng)用。為確保足夠的連接強度，聯(lián)接入井的特殊螺紋接頭密封面、扭矩臺肩處的密封副必須保持合理的應(yīng)力水平。由于特殊螺紋接頭幾何結(jié)構(gòu)及外載作用下應(yīng)力分布的復(fù)雜性，無法用解析法進行接頭應(yīng)力分析，文中借助ANSYS有限元軟件，以某88.9mm×6.45mm P110特殊螺紋油管接頭為例，分析了上扣扭矩、內(nèi)壓、軸向力及復(fù)合載荷等不同載荷作用下密封面、扭矩臺肩及連接螺紋的應(yīng)力分布規(guī)律。

1 特殊螺紋油管接頭有限元模型及工況

本文分析的某特殊螺紋油管接頭如圖1所示。該接頭采用主密封面與臺肩雙重金屬密封形式，螺紋采用連接強度較高的偏梯形螺紋，其密封形式與主要參數(shù)分別見表1、表2。

表1 特殊螺紋接頭密封形式

表2 特殊螺紋接頭主要參數(shù)

建模過程中采用如下假設(shè)：為消除邊界效應(yīng)，模型油管長度應(yīng)大于管端至螺紋消失點距離的2倍以上[3]；而接箍沿軸向取其長度的一半；考慮到接頭與油管關(guān)于中心軸對稱，采用軸對稱力學(xué)模型；忽略螺紋螺旋升角的影響；假設(shè)接頭和油管材料為各向同性的強化材料。

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)圖

考慮到簡化模型的軸對稱性和材料的塑性強化，采用具有軸對稱功能的PLANE82單元進行網(wǎng)格劃分；油管接頭螺紋的接觸是典型的面-面接觸，用TARGE169和CONTA172接觸單元生成面-面接觸對，接觸表面間的摩擦為滑動庫侖摩擦，摩擦系數(shù)0.02。設(shè)接箍中面的軸向位移為零，采用第四強度理論計算等效應(yīng)力。

根據(jù)管柱力學(xué)分析[4]，油管接頭在井下受力情況復(fù)雜，上部油管承受軸向拉伸，下部承受軸向壓力，同時整個管柱承受管內(nèi)流體的高壓作用，因此，采用表1所示的載荷組合模擬真實工作中油管接頭的載荷工況。將表3所示載荷工況作用在特殊螺紋接頭有限元分析模型上，即可得到油管接頭應(yīng)力分布情況。

表3 某特殊螺紋接頭加載工況

2 上扣時接頭應(yīng)力分析

由特殊螺紋油管接頭等效應(yīng)力分布云圖（見圖2）可知，最大等效應(yīng)力位于主密封面處，而扭矩臺肩處稍小?？梢钥闯?，主密封面與扭矩臺肩處均有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明扭矩臺肩主要承擔(dān)了上扣扭矩產(chǎn)生的軸向力，起到了過扭保護作用，而連接螺紋所受的應(yīng)力較小，提高了接頭的連接強度；除靠近主密封面的前3牙螺紋根部應(yīng)力較大外，其余螺紋應(yīng)力值較小且分布較均勻，因此，接頭螺紋應(yīng)力分布理想，保證了良好的連接性能。

圖2 上扣時某特殊螺紋油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

3 軸向力作用時接頭應(yīng)力分析

圖3 不同軸向拉力下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

圖3為不同軸向拉力作用下接頭等效應(yīng)力分布云圖，隨著軸向拉力的增大，密封面及扭矩臺肩處應(yīng)力數(shù)值及分布變化不大，而接頭兩端嚙合螺紋及管體應(yīng)力增大，說明在一定范圍內(nèi)軸向拉力對接頭密封性能影響不大，不過，若軸向拉力過大，部分嚙合螺紋應(yīng)力大于屈服強度，可能產(chǎn)生粘扣甚至發(fā)生局部失效。

圖4為不同軸向壓力作用下接頭等效應(yīng)力分布云圖，可以看到，密封部位及靠近密封面處前2扣嚙合螺紋應(yīng)力較大；隨著軸向壓力的增大，最大等效應(yīng)力由密封面逐漸向扭矩臺肩處轉(zhuǎn)移，扭矩臺肩分擔(dān)部分軸向壓力，可提高接頭的抗壓縮性能。

圖4 不同軸向壓力下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

4 內(nèi)壓作用時接頭應(yīng)力分析

圖5為不同內(nèi)壓作用下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖，等效應(yīng)力隨內(nèi)壓的增加而增大，且最大值均出現(xiàn)在密封面處。雖然內(nèi)壓為40MPa時，密封面處最大等效應(yīng)力已超過管材的屈服極限，因該處為壓應(yīng)力，所以密封面仍能夠發(fā)揮密封作用；然而當(dāng)內(nèi)壓達到120MPa時，管體等效應(yīng)力接近或超過管材的屈服極限，管體及接頭密封將因此而失效。

圖5 不同內(nèi)壓下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

圖6 80MPa內(nèi)壓與不同軸向拉力復(fù)合作用下油管接頭等效應(yīng)力分布圖

圖7 80MPa內(nèi)壓與不同軸向壓力作用下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

5 內(nèi)壓與軸向力復(fù)合作用時接頭應(yīng)力分析

圖6為內(nèi)壓與軸向拉力復(fù)合作用下接頭的等效應(yīng)力分布云圖，可以看出，隨著軸向拉力的增大，最大等效應(yīng)力點由密封面逐漸向大端螺紋處轉(zhuǎn)移——軸向拉力為200kN時最大等效應(yīng)力點在密封面處，而軸向拉力為400kN、600kN、800kN、1000kN時，最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在第1、2、9、10嚙合螺紋處。

圖7為內(nèi)壓與軸向壓力復(fù)合作用下等效應(yīng)力分布云圖，可以看出：軸向壓力增加，最大等效應(yīng)力均在密封面處，并且密封面處最大等效應(yīng)力變化不大。因此，說明在一定范圍內(nèi)，軸向壓力對該特殊

螺紋接頭密封面應(yīng)力值影響不大。

6 結(jié)束語

以某88.9mm×6.45mm P110特殊螺紋油管接頭為例，通過有限元應(yīng)力分析，得到了上扣扭矩、內(nèi)壓、軸向力及復(fù)合載荷等不同載荷作用下密封面、扭矩臺肩及連接螺紋的應(yīng)力分布規(guī)律，分析表明：內(nèi)壓與軸向拉力復(fù)合作用時，隨著軸向拉力的增大，最大等效應(yīng)力點由密封面逐漸向大端螺紋處轉(zhuǎn)移；在復(fù)合載荷作用下，該特殊螺紋接頭兩端仍有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在應(yīng)力不均問題，

應(yīng)該進一步優(yōu)化設(shè)計螺紋參數(shù)。

[1] 呂拴錄, 韓勇, 趙克楓, 等.特殊螺紋接頭油套管使用及展望[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2000, 16(3): 1-4.

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