白 鶴 ，何石磊 ，，唐 俊 ，黨 濤 ，王 軍 ，周新義

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；

2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008）

隨著我國石油勘探水平的不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井逐年增加，對油套管的性能，特別是接頭的性能提出了越來越高的要求［1］。連接強(qiáng)度高、密封性能好的特殊螺紋接頭油套管已得到了油田用戶的廣泛使用。本文借助ABAQUS有限元分析軟件，以Φ139.7 mm×9.17 mm規(guī)格P110鋼級特殊螺紋接頭油套管為例，分析討論臺肩角度對特殊螺紋接頭密封性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1 模型的簡化

特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)的基本形式主要有錐面-錐面、錐面-球面和柱面-球面等［2-3］。密封面上的接觸應(yīng)力分布直接決定了接頭的密封性能，而主密封結(jié)構(gòu)的形式不同，主密封面上的接觸應(yīng)力分布也就不同。錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)具有較高的接觸應(yīng)力，較長的密封長度，同時容易進(jìn)行高精度加工，目前被國內(nèi)外廣泛使用［4］。本文分析選用的特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，主密封結(jié)構(gòu)為錐面-錐面金屬過盈密封，臺肩角度分別為直角、-5°和-15°。

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)有限元分析軟件特點，結(jié)合該特殊螺紋接頭的實際情況，對特殊螺紋接頭的有限元模型進(jìn)行以下假設(shè)和簡化：①管體和接箍為各向同性的強(qiáng)化材料；②忽略螺紋升角的影響；③假設(shè)管體和接箍在變形前的幾何尺寸為理想狀態(tài)［5-7］。

根據(jù)油田井況，特殊螺紋接頭在上卸扣后會在井下承受拉伸、壓縮等載荷，因此需要對特殊螺紋接頭進(jìn)行拉伸、壓縮載荷下的有限元分析?；谏鲜瞿Ｐ偷奶攸c及假設(shè)，特殊螺紋接頭臺肩角度對密封性能的影響分析可按軸對稱問題處理，采用彈塑性非線性有限元方法進(jìn)行分析。

1.2 參數(shù)設(shè)置

特殊螺紋接頭有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，采用軸對稱4節(jié)點單元，并在螺紋、密封面及臺肩處進(jìn)行網(wǎng)格加密。根據(jù)接頭的服役環(huán)境，本次分析采用的軸向拉伸及壓縮載荷均為2 500 kN，上扣扭矩為9 500 N·m；此外，結(jié)合材料特性，取彈性模量210 GPa，摩擦因數(shù)0.02（摩擦因數(shù)與螺紋脂有關(guān)，一般為0.015～0.025［8］），泊松比為0.3。

特殊螺紋接頭在上扣過程中，一般分為兩個階段：首先手緊至基準(zhǔn)面，此時螺紋之間沒有產(chǎn)生過盈量；隨后通過控制扭矩，利用專用設(shè)備完成整個上扣過程，完成上扣后內(nèi)外螺紋之間產(chǎn)生過盈配合。

2 有限元模擬結(jié)果及分析

2.1 接頭上扣后

不同臺肩角度的特殊螺紋接頭在上扣后，密封面及臺肩上各點的接觸應(yīng)力如圖3所示。從圖3（a）看出：不同臺肩角度的接頭在上扣后，密封面處的接觸應(yīng)力分布整體趨勢類似，均是隨著距臺肩端面的距離增加而降低；但各點（特別是距離臺肩端面近的點）的接觸應(yīng)力區(qū)別很大，-15°臺肩的接頭最大接觸應(yīng)力達(dá)到985 MPa，而對應(yīng)的-5°臺肩和直角臺肩的接頭最大接觸應(yīng)力僅有688 MPa和495 MPa。不同臺肩角度對密封面上最大接觸應(yīng)力影響較大，這主要是由于-15°臺肩特殊螺紋接頭在上扣后，管體端面和接箍臺肩面接觸并產(chǎn)生一定過盈量，此時管體端面受到的力可分解為水平力和垂直力，垂直力會進(jìn)一步增加接頭密封面相互接觸的趨勢，且對管體端部影響相對較大，而直角臺肩的特殊螺紋接頭沒有垂直方向的分力；因此-15°臺肩的接頭密封性能明顯優(yōu)于-5°臺肩和直角臺肩的接頭。

圖2 特殊螺紋接頭有限元模型網(wǎng)格劃分示意

圖3（b）所示為特殊螺紋接頭上扣后，臺肩角度對臺肩輔助密封性能的影響?？梢钥闯觯翰徽撌?15°臺肩接頭還是直角臺肩接頭，接觸應(yīng)力隨著與管體鼻端內(nèi)壁距離的增加，均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，且各個點的接觸應(yīng)力值差別不大。因此從模擬計算結(jié)果來看：特殊螺紋接頭在上扣后，臺肩角度的變化對臺肩的輔助密封性能影響不大。

2.2 接頭上扣+拉伸載荷

不同臺肩角度的特殊螺紋接頭在上扣+拉伸載荷條件下，密封面各點接觸應(yīng)力如圖4所示。從模擬結(jié)果可知：特殊螺紋接頭在上扣后受到2 500 kN拉伸載荷時，密封面處的應(yīng)力值下降幅度非常大，此時3種接頭的密封面最大接觸應(yīng)力均在300～400 MPa之間，說明拉伸載荷對接頭密封面接觸應(yīng)力的影響較大，但臺肩角度的變化對接頭在上扣+拉伸載荷條件下的接觸應(yīng)力影響不大。此外，通過 API標(biāo)準(zhǔn)公式［9］（式 1）計算，得出管體內(nèi)屈服壓力Pi為99.5 MPa，因此3種接頭在上扣+拉伸載荷下依然能夠保證油氣井對接頭的密封要求。

圖3 上扣后密封面及臺肩各點接觸應(yīng)力

式中fy——管體名義最小屈服強(qiáng)度，MPa；

kw——管體壁厚誤差常數(shù)；

t——管體名義壁厚，mm；

D——管體名義外徑，mm。

圖4 上扣+拉伸載荷條件下密封面各點的接觸應(yīng)力

上扣+拉伸載荷下特殊螺紋接頭臺肩及密封面各點的接觸應(yīng)力如圖5所示。從圖5中看出：接頭在承受2 500 kN拉伸載荷時，管端與臺肩接觸位置發(fā)生位移分開，接觸應(yīng)力為0，臺肩處失去了輔助密封的作用。而密封面靠近臺肩的位置依然存在著較高的接觸應(yīng)力，與圖4中密封面處的接觸應(yīng)力值相對應(yīng)。

圖5 上扣+拉伸載荷下特殊螺紋接頭臺肩及密封面各點的接觸應(yīng)力

2.3 接頭上扣+壓縮載荷

不同臺肩角度的特殊螺紋接頭在上扣+壓縮載荷下，密封面及臺肩各點接觸應(yīng)力如圖6所示。從模擬計算結(jié)果可知：在承受壓縮載荷時，3種接頭密封面處的接觸應(yīng)力整體趨勢均隨著與臺肩端面距離的增加，接觸應(yīng)力先降后增，但不同的扭矩臺肩角度對接頭密封面上最大接觸應(yīng)力影響非常大，-15°臺肩接頭最大接觸應(yīng)力達(dá)到788 MPa，且出現(xiàn)在最靠近臺肩端面處，而直角臺肩接頭最大接觸應(yīng)力卻僅有223 MPa，且出現(xiàn)在錐面密封面的收尾位置；因此，特殊螺紋接頭在上扣后承受壓縮載荷時，-15°臺肩接頭密封性能明顯優(yōu)于-5°和直角臺肩接頭。這主要是因為在接頭上扣后受到壓縮載荷作用時，-15°臺肩接頭管體端面產(chǎn)生的垂直分力進(jìn)一步增加了密封面之間相互接觸的趨勢。不論-15°臺肩接頭還是直角臺肩接頭，在該載荷下密封面處的最大接觸應(yīng)力均大于管體內(nèi)屈服壓力；因此，3種接頭在上扣+壓縮載荷條件下依然能夠保證良好的密封性能。在上扣+壓縮載荷條件下，不同角度臺肩面各點接觸應(yīng)力隨著距管體鼻端內(nèi)壁距離的增加呈先升后降的趨勢（圖6b），且不同角度臺肩面上取距離鼻端內(nèi)壁相同的點，其接觸應(yīng)力幾乎相同。因此，臺肩角度的變化在上扣+壓縮載荷下，對臺肩的輔助密封性能影響不大。

圖6 上扣+壓縮載荷條件下密封面及臺肩各點的接觸應(yīng)力

3 結(jié) 論

（1）特殊螺紋接頭上扣過程中，不同臺肩角度對密封面上最大接觸應(yīng)力影響較大，-15°臺肩接頭密封性能明顯優(yōu)于直角臺肩接頭，而臺肩角度的變化對臺肩的輔助密封性能影響不大。

（2）特殊螺紋接頭上扣+拉伸載荷條件下，臺肩角度的變化對接頭密封面處接觸應(yīng)力變化的影響不大，最大接觸應(yīng)力均在300～400 MPa之間，完全滿足接頭要求的密封性能。而隨著拉伸載荷的逐漸增加，3種臺肩角度的特殊螺紋接頭管端與臺肩接觸位置分開，導(dǎo)致整個臺肩接觸應(yīng)力為0，失去了輔助密封的作用。

（3）特殊螺紋接頭上扣后，在施加壓縮載荷時，臺肩角度的變化對接頭密封面上最大接觸應(yīng)力影響非常大，-15°臺肩接頭最大接觸應(yīng)力達(dá)到788 MPa，且出現(xiàn)在最靠近臺肩端面位置；而直角臺肩接頭最大接觸應(yīng)力卻出現(xiàn)在錐面密封面的收尾位置，且僅有223 MPa。在該載荷條件下，臺肩角度的變化對臺肩的輔助密封性能影響不大。

（4）負(fù)角臺肩的接頭在上扣及上扣+壓縮載荷條件下可以產(chǎn)生垂直方向的分力，進(jìn)一步增大密封面相互接觸的趨勢；因此，-15°臺肩接頭密封面處密封性能明顯優(yōu)于直角臺肩接頭。

［1］白鶴，賈宏安，黨濤，等.我國油套管特殊螺紋接頭質(zhì)量探討［J］.焊管，2012，35（9）：29-33.

［2］白鶴，黨濤，何石磊，等.模擬工況下特殊螺紋密封特性的有限元分析［J］.鋼管，2013，42（4）：60-63.

［3］高連新，孫坤忠.旋轉(zhuǎn)固井用高抗扭氣密封套管的研制與應(yīng)用［J］.鋼管，2013，42（2）：22-26.

［4］孔華，步玉環(huán)，馬明新.特殊螺紋接頭錐面/錐面結(jié)構(gòu)密封特性研究［J］.石油礦場機(jī)械，2011，39（4）：14-22.

［5］楊智春，李斌，史交齊.特殊扣套管接頭的應(yīng)力及密封特性分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（7）：771-776.

［6］吳稀勇，閆龍，陳濤，等.彎曲載荷下特殊螺紋接頭密封性能的有限元分析［J］.鋼管，2010，39（6）：70-73.

［7］周曉君，魏波.基于ANSYS的特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析［J］.機(jī)電工程，2012，29（9）：1002-1006.

［8］ Kwon W Y，Klementich E F，Ko I K.An efficient and accurate model for the structural analysis of threaded tubular connections［J］.SPE Production Engineering，1990，5（4）：261-264.

［9］ America Petroleum Institute.Technical report on equations and calculations for casing tubing and line pipe used as casing or tubing；and performance properties tables for casing and tubing［S］.7th.2008.