宮翔， 李玲霞， 穆增利

（達(dá)力普石油專用管有限公司，河北 滄州 061000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油氣用量的增加，導(dǎo)致油氣開(kāi)采環(huán)境也逐漸變得苛刻。面對(duì)較復(fù)雜的開(kāi)采環(huán)境，API標(biāo)準(zhǔn)螺紋套管應(yīng)用范圍受到了限制。國(guó)外從20世紀(jì)40年代起就開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)特殊螺紋套管，到目前已開(kāi)發(fā)出百余種不同結(jié)構(gòu)類型的套管螺紋［1］。

螺紋連接處是石油套管管柱最薄弱的環(huán)節(jié)，其中80%以上的石油套管失效事故發(fā)生在螺紋連接部位。以標(biāo)準(zhǔn)API圓螺紋為例，其抗拉強(qiáng)度只有管體強(qiáng)度的60%~80%［2］。因此，螺紋連接處的抗拉強(qiáng)度決定了整個(gè)套管管柱的抗拉強(qiáng)度。套管在實(shí)際應(yīng)用中，承受內(nèi)壓、外壓、軸向拉壓力、彎矩和轉(zhuǎn)矩等復(fù)合載荷作用，在其連接和密封性能都低于管體本體的情況下，失效也就容易產(chǎn)生。為了迎合目前天然氣、頁(yè)巖氣等氣田的迅速發(fā)展，以及采氣工藝對(duì)套管連接密封性能的更高要求，達(dá)力普石油專用管有限公司設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種改進(jìn)型圓螺紋，該圓螺紋采用內(nèi)螺紋變錐設(shè)計(jì)。改進(jìn)型圓螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

1 有限元力學(xué)模型建立

N80鋼級(jí)的石油鋼管在石油天然氣工業(yè)被廣泛應(yīng)用，其份額占套管總量的50%以上［3］。因此對(duì)于改進(jìn)型圓螺紋的模型，本文采用規(guī)格為φ139.7×7.72，鋼級(jí)N80的套管。彈性模量取209 GPa，泊松比取0.3，摩擦因數(shù)取0.02。為了研究問(wèn)題的方便，本文做以下假設(shè)［4］：1）材料為均勻各向同性，且符合理想彈塑性。2）忽略螺紋升角的影響，考慮到載荷軸對(duì)稱性，將模型簡(jiǎn)化為空間抽對(duì)稱問(wèn)題。3）套管螺紋和接箍螺紋在嚙合點(diǎn)處光滑接觸。

圖1 改進(jìn)型螺紋結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)螺紋變錐

本文所研究的改進(jìn)型圓螺紋，有限元模型螺紋編號(hào)如圖3所示。

套管與接箍嚙合的螺紋共有23牙，從套管與接箍嚙合的尾部開(kāi)始編號(hào)為第1牙，知道套管頭部最后一個(gè)為第23牙。

力學(xué)模型（圖4）上接箍端需要設(shè)定位移約束，約束Y方向位移量為0。施加受力時(shí)，在套管尾端施加軸向拉壓力，內(nèi)壓則是在內(nèi)壁設(shè)置均勻壓力。

改進(jìn)型圓螺紋網(wǎng)格劃分如圖5所示，網(wǎng)格采用軸對(duì)稱4節(jié)點(diǎn)單元數(shù)學(xué)模型［5］，將螺紋接觸位置的網(wǎng)格細(xì)分，加大網(wǎng)格密度，可以有效地增加計(jì)算的準(zhǔn)確性。非接觸位置的網(wǎng)格密度可以略小一些，可以加快整體的運(yùn)算速度。

套管在實(shí)際應(yīng)用中，包括建井、擴(kuò)井、采油等過(guò)程，都承受著非常復(fù)雜的載荷作用。為了保證模擬結(jié)果與實(shí)際情況更為貼切，我們?cè)O(shè)計(jì)了3種工況，如表1所示。

圖3 螺紋編號(hào)圖

圖5 力學(xué)模型

圖5 網(wǎng)格劃分模型

2 計(jì)算結(jié)果與分析

按照上述工況要求，對(duì)復(fù)合載荷下的套管模型模型進(jìn)行了計(jì)算，得到以下結(jié)果：

表1 模擬工況參數(shù)表MPa

2.1 上扣等效應(yīng)力應(yīng)變圖

上扣等效應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖6、圖7所示，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在第1牙的位置上，如圖8所示，與第1牙配合的接箍牙型為非完整牙型，在此位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生局部塑性變形。完整牙型位置的等效應(yīng)力為556MPa，小于該材料的屈服強(qiáng)度618 MPa。由等效應(yīng)力折線圖（圖9）可以看出，除了第一牙出現(xiàn)應(yīng)力集中外，其余各個(gè)牙都承受大約相等的載荷，而API標(biāo)準(zhǔn)圓螺紋在螺紋上的應(yīng)力分布呈非均勻變化，兩端應(yīng)力很高，中間應(yīng)力低［6］。因此螺紋的抗拉強(qiáng)度得以提高。第1位置出現(xiàn)最大的等效應(yīng)變?yōu)?.0525 mm。2~20牙應(yīng)變基本分布在0.001~0.004 mm之間。21、22、23 牙應(yīng)變值為0.01 mm左右。完整螺紋的等效應(yīng)變均小于0.6%。

圖6 上扣等效應(yīng)力圖

圖7 上扣等效應(yīng)變圖

圖8 局部放大

2.2 工況1（軸向載荷380 MPa）

當(dāng)該套管管柱僅受軸向拉伸載荷時(shí)，最大Mises應(yīng)力仍為第1牙位置，但是在22、23牙位置及未連接處的螺紋出，也出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況，但等效應(yīng)力未超過(guò)該材料屈服強(qiáng)度，如圖10所示。

圖9 上扣后各牙等效應(yīng)力

2.3 工況2（軸向載荷310MPa+內(nèi)壓35MPa）

如圖11所示，工況2施加了310 MPa軸向載荷和35 MPa內(nèi)壓，最大等效應(yīng)力點(diǎn)仍然處在第1牙，但螺紋牙形上的等效應(yīng)力明顯變小，因此說(shuō)明當(dāng)套管管柱在受到符合載荷作用時(shí)，是最容易發(fā)生失效的。

2.4 工況3（內(nèi)壓55 MPa）

工況3只施加了55 MPa內(nèi)壓，由云圖（圖12）可以看出，當(dāng)內(nèi)壓逐漸增大時(shí)，套管螺紋上的等效應(yīng)力逐漸減小，加大了套管接頭處泄漏的可能。

圖10 380 MPa軸向載荷下接頭云圖

圖11 310 MPa軸向載荷+35 MPa壓力下應(yīng)力云圖

2.5 各情況下螺紋接觸壓力圖

如圖 13所示，上扣完成后，第一牙接觸壓力最大，第 2～17 牙接觸壓力變化幅度很小，在18牙以后，由于過(guò)盈量的增大，接觸壓力逐漸增加。在工況 1、2、3 三種情況下，螺紋接觸壓力的變化趨勢(shì)同上扣時(shí)接觸壓力的變化趨勢(shì)相同。接觸壓力的大小是決定螺紋連接密封性能的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)螺紋接觸面接觸壓力大于內(nèi)壓時(shí)，螺紋密封良好。反之，則會(huì)發(fā)生泄漏。因此通過(guò)圖13可以看出，在各種工況下，螺紋的密封性能都保持良好。

圖12 55 MPa下應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1）上扣機(jī)緊過(guò)程中，各個(gè)螺紋承受近似相等的等效應(yīng)力，分布于560 MPa左右，且小于該材料屈服強(qiáng)度618 MPa，因此在每個(gè)牙都受力的情況下，連接強(qiáng)度好于螺紋連接應(yīng)力呈非均勻變化的API圓螺紋。

圖13 各工況下各牙表面接觸壓力

2）在套管管柱承受軸向拉伸、拉伸+內(nèi)壓、內(nèi)壓載荷時(shí)，螺紋連接在螺紋變錐位置，仍然保持很大的接觸壓力，且遠(yuǎn)大于按API標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算得出的管體屈服壓力65 MPa高很多，因此螺紋連接處具有良好的密封性能。

［1］ 宋治，馮耀榮.油井管與管柱技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］ 楊龍，宋生印，韓新利，等.油氣井套管技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（3）：20-26.

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［6］ 高連新，金燁，史交齊.圓螺紋套管接頭應(yīng)力分布規(guī)律研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（1）：42-48.