溫紀宏，陳國明，暢元江，劉秀全

（中國石油大學 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島266580）①

海上平臺鉆井用隔水導管接頭作為隔水導管系統最重要的部件之一，在極端作業(yè)條件下需要具備足夠的強度，能夠承受海水波浪的撞擊力，同時又能使隔水單根相互快速拆卸及連接。隔水導管快速接頭在保證連接強度的同時能夠有效降低隔水套管連接時間和起下作業(yè)時間，減少鉆井成本。

目前，國外淺水鉆井隔水導管使用螺紋快速接頭，生產隔水導管螺紋接頭的公司主要有Dril－Quip、Oil States、Vetco－Gray和 Grant Prideco公司。R.Shilling與 M.L.Payne［1］通過疲勞導向設計，使螺紋接頭在鉆井、生產隔水導管中得到了更廣泛的 應 用；J.Pollack 與 D.C.Riggs［2］對 適 用 于SCRs、海底管線的螺紋接頭進行極限載荷（拉伸載荷，彎曲載荷）測試。國內目前對套管螺紋接頭研究較多，高連新［3］對圓螺紋套管接頭使用工況下的應力分布規(guī)律進行研究；習俊通［4］通過編制有限元分析程序，對不同載荷條件下螺牙載荷分布進行了分析研究；何牛仔［5］對熱采井套管螺紋進行了有限元分析。近年來，國內外主要關注于深水鉆井隔水導管快速接頭的研究，對淺水隔水導管快速接頭的研究較少。本文利用ABAQUS軟件，對不同形狀螺紋的隔水導管螺紋接頭進行強度分析，并針對接頭螺紋的應力分布進行了優(yōu)化，從而為隔水導管螺紋接頭的合理設計提供參考。

1 隔水導管螺紋接頭的優(yōu)點

隔水導管接頭是隔水導管系統最重要的部件之一，主要分為爪型、螺栓－法蘭型、螺紋型和鋏鉗型［6］。Dril－Quip公司生產的隔水導管螺紋接頭產品如圖1所示，其所承受的外部載荷通過母接頭和公接頭旋合的內、外螺紋傳遞。

圖1 Dril－Quip公司隔水導管螺紋快速接頭

隔水導管螺紋接頭的優(yōu)點是：易對接，易焊接，采用金屬對金屬自定位、連接快速，可重復利用，技術成熟，目前在國外已經擁有大量的現場使用案例。

2 模型建立

與應用在石油化工設備中的接頭相比，隔水導管接頭的幾何尺寸更大，并且應用于海洋環(huán)境，受力情況更復雜，對于隔水導管螺紋接頭，連接強度分析是一個綜合幾何非線性和邊界非線性的彈塑性接觸問題，而ABAQUS是進行有限元分析的有效工具，可對結構、載荷與邊界條件進行模擬分析，同時考慮大變形、非線性等。因此，采用ABAQUS對不同齒形的隔水導管螺紋快速接頭進行建模，求解。

2.1 有限元模型

隔水導管螺紋接頭建模基本參數為公接頭內徑D1＝700mm，外徑D2＝804mm，壁厚d＝15.875 mm（0.625英寸），螺距P＝24mm?；诮宇^強度高于本體強度的原則，隔水導管采用X52鋼，接頭材料采用 X80鋼，屈服強度為551.6MPa（8 000psi），彈性模量2.1×1011Pa，泊松比取0.3。隔水導管螺紋接頭由一組螺旋面構成，內、外螺紋面的接觸區(qū)域狹長。根據螺紋接頭的結構與受力特點做3個假設：

1） 由于螺紋螺旋升角很小，則不計其影響，將接頭視為軸對稱結構，按照軸對稱簡化模型進行建模。

2） 隔水導管螺紋接頭的材料為各向同性。

3） 忽略倒角與退刀槽的影響。

采用ABAQUS軟件按照軸對稱模型對圓弧螺紋、梯形螺紋和鋸齒螺紋3種標準螺紋隔水導管接頭進行建模，使用CAX4單元對模型進行網格劃分，模型如圖2所示。

圖2 標準螺紋接頭模型

2.2 載荷條件

式中：c為隔水管線的平均半徑；I為隔水管線的慣性力矩；A為隔水管線的截面；do為隔水管線的外徑；t為隔水管線的壁厚。

由式（1）可算得隔水導管等效張力為：TEQ＝3.927MN。接頭自重力和軸向張力以及彎矩相比很小，因此不予考慮。

由于校核的是接頭的連接強度，即在特定的載荷（彎矩和軸向拉力）工況下，要求接頭螺紋能承受足夠的拉力，使隔水導管單根能夠可靠連接。通過有限元分析軟件ABAQUS對隔水導管系統進行整體分析，得到隔水導管軸向拉力為3.347MN，彎矩值為0.103 73MN·m。通常將接頭載荷條件可以看作軸對稱張力，在這種單一化過程中，隔水導管彎矩被轉換成等效張力（TEQ）。TEQ表示了隔水導管軸向張力（T）和彎矩（M）的集合［6］，即

3 應力分析與優(yōu)化

隔水導管螺紋接頭所承受的外部載荷通過母接頭與公接頭旋合的內、外螺紋來傳遞，因此，螺牙上的應力分布對于螺紋的設計具有指導意義。

3.1 不同齒形接頭應力分布

對相同載荷條件下的3種不同標準螺紋的隔水導管螺紋接頭進行有限元分析，提取各螺紋牙輪廓應力值，得出應力變化如圖3所示。

圖3 不同標準螺紋接頭螺紋牙輪廓應力變化

由圖3可以看出：各螺紋牙應力分布不均勻，每個螺紋牙根部應力最大，且在第1個螺紋牙根部存在嚴重的應力集中現象；3種標準螺紋接頭相比，圓弧螺紋接頭與梯形螺紋接頭比鋸齒螺紋接頭受力均勻，鋸齒螺紋接頭在各螺紋牙根部兩側，存在微弱的應力集中現象。

各螺紋牙應力分布不均及螺紋牙根部的應力集中嚴重影響了隔水導管螺紋接頭的抗拉性能，因此，需要對其進行改善。

3.2 螺紋接頭優(yōu)化

針對隔水導管螺紋接頭各螺紋牙應力分布不均，及第1個螺紋牙根部存在嚴重的應力集中現象，為了避免隔水導管接頭過早失效，從研究隔水導管螺紋的應力分布入手，采用改變螺紋錐度和改變螺紋螺距措施減小應力集中程度，使螺紋載荷分布更加合理。

1） 改變螺紋錐度 保持公接頭外螺紋的錐度不變，變化母接頭內螺紋的錐度，使螺紋兩端的1～2牙螺紋處于不完全接觸狀態(tài)。

2） 改變螺紋螺距 保持母接頭內螺紋的螺距為標準螺距，變化公接頭外螺紋的螺距，使內、外螺紋嚙合后，兩端的第1～2牙螺紋產生一定的軸向間隙，且間隙值越靠近兩端越大。

對3種不同標準螺紋的隔水導管螺紋接頭改進后進行分析，提取各螺紋牙應力值，作出不同標準螺紋接頭應力沿輪廓變化對比如圖4所示。

圖4 螺紋改進前后應力沿輪廓變化對比

由圖4可以看出：通過改變螺紋錐度，改變螺紋螺距，能夠有效地減小第1個螺紋牙根部的應力，從而減小兩端的峰值應力，使隔水導管螺紋接頭應力分布更加均勻，提高隔水導管接頭的連接強度。此外，對于隔水導管圓弧螺紋接頭與梯形螺紋接頭，改變螺紋螺距能夠明顯降低各螺紋牙的應力，對于隔水導管鋸齒螺紋接頭，改變螺紋錐度對降低各螺紋牙的應力效果更明顯。

4 結論

1） 隔水導管標準螺紋接頭在載荷作用下，各螺紋牙應力分布不均勻，每個螺紋牙根部應力最大，且第1個螺紋牙根部存在嚴重的應力集中現象。

2） 通過改變螺紋錐度，改變螺紋螺距，能夠有效減小第1個螺紋牙根部的應力，使隔水導管接頭應力分布更均勻，提高隔水導管接頭的連接強度。

3） 對于隔水導管圓弧螺紋接頭與梯形螺紋接頭，改變螺紋螺距能夠明顯降低各螺紋牙的應力，而對于隔水導管鋸齒螺紋接頭，改變螺紋錐度對降低各螺紋牙的應力效果更明顯。

［1］Shilling R，Payne M L.High－Strength Thread and Coupled Connectors for Dynamic Riser Applications［R］.SPE／108708，2007.

［2］Pollack J，Riggs D C.Improved Concentric Thread Connectors for SCRs and Pipelines［C］.OTC／21621，2011.

［3］高連薪，金 燁.圓螺紋套管接頭應力分布規(guī)律研究［J］.機械強度，2004，26（1）：42－48.

［4］習俊通，聶 剛.套管螺紋接頭連接性能的接觸有限元分析［J］.西安交通大學學報，1999，33（11）：63－66.

［5］何牛仔，高學仕.熱采井套管螺紋連接有限元分析［J］.石油礦場機械，2007，36（9）：64－66.

［6］API 16R，Specification for Marine Drilling Riser Couplings［S］.1997.