尹惟一，張心明，劉建河

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

基于貝殼表面仿生油管螺紋抗粘扣性能仿真分析

尹惟一，張心明，劉建河

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

粘扣是油管螺紋的主要失效形式之一。針對油管螺紋粘扣的機理，將貝殼表面溝槽狀仿生非光滑結(jié)構(gòu)的耐磨特點應(yīng)用在油管螺紋上以達(dá)到抗粘扣的目的。利用有限元仿真的方法對普通油管螺紋、基于貝殼表面結(jié)構(gòu)的仿生溝槽結(jié)構(gòu)油管螺紋在擰緊力矩作用下與軸向力作用下的齒面載荷分布進行模擬分析。結(jié)果表明，仿生油管螺紋表面接觸應(yīng)力全面低于普通螺紋，有效地減小了螺紋表面應(yīng)力集中現(xiàn)象。

油管螺紋；粘扣；仿生結(jié)構(gòu)；有限元仿真

1 引言

油管是采油采氣的惟一通道，發(fā)生油管事故，因油管螺紋失效后需要更換管道、原油漏失等造成的經(jīng)濟損失也相當(dāng)驚人。我國油田每年因油套管損壞造成的油井破壞或報廢的經(jīng)濟損失就達(dá)數(shù)十億元，油套管的損壞嚴(yán)重阻礙油田的正常生產(chǎn)，這已成為目前國內(nèi)外石油開采中的一個亟待解決的重要課題［1-2］。油套最脆弱的部分是螺紋聯(lián)接處，國外油管失效事故中，有64%發(fā)生在螺紋接頭處，國內(nèi)則高達(dá)86%，螺紋接頭的主要失效形式是螺紋粘扣［3-4］。

1.1 油管螺紋粘扣失效機理

根據(jù)ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)的最新定義［5］，粘扣是一種發(fā)生在相互接觸金屬表面間的冷焊。油管螺紋在嚙合狀態(tài)下伴隨著冷焊現(xiàn)象發(fā)生，內(nèi)外螺紋接觸面存在著相對滑動或旋轉(zhuǎn)等運動關(guān)系，這將會引起冷焊局部形成粘連進而造成撕裂，最后導(dǎo)致螺紋失效。對油管螺紋粘扣現(xiàn)象的成因，主要有以下觀點:

（1）接觸應(yīng)力觀點

該觀點認(rèn)為接觸應(yīng)力過大是引起螺紋粘扣的根本原因［6］。油管螺紋上扣、卸扣過程中，扭矩和幾何約束過盈的聯(lián)合作用使得內(nèi)外螺紋局部點的接觸應(yīng)力過大，造成螺紋接觸面的摩擦力增大。而且在油管上卸扣過程中，螺紋牙上部應(yīng)力最高，中下螺紋牙面偏低［7］。摩擦副之間的實際接觸面積越大，發(fā)生粘扣的可能性越大。有觀點認(rèn)為，優(yōu)化螺紋表面的接觸應(yīng)力分布與提高螺紋表面硬度應(yīng)該是解決螺紋粘扣的有效方式［8］。

（2）擰扣力矩影響

油管在幾何尺寸與旋合長度相同的條件下，油管螺紋面接觸壓力受過盈和擰緊扭矩的影響，擰緊扭矩越大，螺紋面面接觸壓力也越高［9］。上扣扭矩高于API標(biāo)準(zhǔn)的50%時，螺紋表面粘扣面積小于總面積的5%，而當(dāng)超出API標(biāo)準(zhǔn)的1-2倍時，螺紋粘扣面積達(dá)到10%上下，當(dāng)上扣力矩達(dá)到API上扣扭矩規(guī)定的4倍以上時，粘扣齒數(shù)增大到14扣，出現(xiàn)大面積粘扣［10］。

1.2 貝殼表面仿生結(jié)構(gòu)特性

吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室在對仿生表面非光滑結(jié)構(gòu)的研究中，加工了一系列單元仿生樣件和耦合仿生樣件，在對仿生樣件進行磨損對比試驗后得出，溝槽形態(tài)仿生樣件的抗沖蝕磨損性相較于無仿生結(jié)構(gòu)的樣件提高了20%［11］。張成春等人研究的課題對貝殼（毛蚶）體表面形態(tài)、斷面結(jié)構(gòu)與組成材料的生物耦合特征，其結(jié)果表明棱紋溝槽結(jié)構(gòu)可以改變磨料流場的接觸和運動狀態(tài)，使磨粒流動趨于最小的能量狀態(tài)，更多磨粒由滑動轉(zhuǎn)為滾動，從而顯著降低對貝殼的磨損破壞。另外，當(dāng)磨料運動方向與棱紋溝槽方向垂直時，其磨損率顯著小于平行方向［12］。

圖1 貝殼表面溝槽仿生結(jié)構(gòu)示意

針對油管螺紋粘扣的機理，從減小上卸扣過程中的螺紋表面的應(yīng)力，增加油管螺紋表面的耐磨性入手，可以有效的增強油管螺紋抗粘扣性能，從而減少油管螺紋粘扣現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)貝殼表面溝槽棱條結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)良特性，可以達(dá)到上述目的。

2 油管螺紋受力有限元仿真分析

油管螺紋主要在上卸扣過程中，在內(nèi)外螺紋旋合過程中相對運動，應(yīng)力劇烈增加從而發(fā)生粘扣。油管螺紋在旋合完成狀態(tài)下，主要受軸向力作用，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中易發(fā)粘扣。

選取油田常用的API 2-7/8不加厚油管螺紋的尺寸參數(shù)和材料參數(shù)，建立油管螺紋理想模型。采用有限元仿真分析的方法，模擬API 2-7/8不加厚油管螺紋在軸向力作用下的受力情況。

在SolidWorks中對油管螺紋進行實體建模。由于油管螺紋與接箍螺紋均為有1∶16錐度的螺旋回轉(zhuǎn)體實體模型，所以在建模的角度來看非常復(fù)雜。由于油管螺紋的螺旋升角不到2°，對有限元分析產(chǎn)生的影響可以忽略不計，因此在能滿足分析結(jié)果精度要求下，對本文有限元模型進行簡化如下:建模與分析時不考慮螺旋升角，將結(jié)構(gòu)定義為軸對稱的回轉(zhuǎn)體模型進行分析。建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 油管螺紋及接箍螺紋建模

2.1 油管螺紋受軸向力作用的載荷有限元仿真分析

運用ANSYS WORKBENCH對油管螺紋軸向力作用下的載荷分布進行分析，有限元模型參數(shù)設(shè)定如下:根據(jù)材料屬性，對材料的性能參數(shù)進行設(shè)定如下:彈性模量E=20600MPa，泊松比u=0.25，屈服極限σy=552～758MPa，抗拉強度σb=689MPa。

圖3 軸向力作用下油管螺紋齒面載荷取樣

對有限元仿真后的應(yīng)力分布云圖進行分析:油管螺紋嚙合面的應(yīng)力分布呈現(xiàn)兩端的螺牙應(yīng)力分布高、中部的螺牙應(yīng)力分布較低的情況，其中第一有效牙所受載荷（螺紋外徑較小端）146.79MPa、第二有效牙為128.24MPa、第三有效牙為127.93MPa；第十四有效牙140.56MPa、第十五有效牙157.04MPa、第十六有效牙217.09MPa。螺紋兩端所受載荷占全部載荷47.06%。

圖4 軸向力作用下油管螺紋齒面載荷

2.2 油管螺紋受擰緊扭矩作用載荷有限元仿真分析

扭矩設(shè)置為API 5B 2-7/8型螺紋最佳扭矩M=1990N·m。由于油管螺紋旋緊過程的實質(zhì)是油管外螺紋與接箍內(nèi)螺紋之間產(chǎn)生相應(yīng)的過盈量，在螺紋機緊上扣后產(chǎn)生的理論過盈量為0.028mm。

圖5 油管螺紋受擰緊扭矩作用下各螺牙應(yīng)力分布取樣

對油管各個螺牙表面應(yīng)力進行隨機拾取。從應(yīng)力分布云圖（圖6）可以明顯地看出，油管螺紋旋進方向的第一個有效牙（第一個完整螺紋）所受載荷最大，達(dá)到了809.83MPa。之后的螺牙面所受載荷沿著軸向依次遞減，最小載荷445.22MPa。載荷分布從旋緊方向的尾端（螺紋外徑的小端）到首端（螺紋外徑大端）逐漸增大。通過描繪各牙應(yīng)力分布曲線可見，螺紋牙面載荷分布基本呈指數(shù)分布。

圖6 油管螺紋受擰緊力矩齒面應(yīng)力分布

3 貝殼表面仿生結(jié)構(gòu)油管螺紋抗粘扣性能仿真分析

3.1 仿生油管螺紋的建模

在CATIA V5 R19軟件中打開并對油管螺紋仿生溝槽結(jié)構(gòu)進行建模。建模結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿生溝槽結(jié)構(gòu)油管螺紋建模

3.2 仿生油管螺紋在擰緊扭矩作用下的仿真分析

在CATIA中建模的零件保存為“.stp”通用格式后導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，對油管外螺紋及其結(jié)果進行裝配并定義。劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)306541，網(wǎng)格單元數(shù)144504?？梢缘玫綆в蟹律Y(jié)構(gòu)油管螺紋的應(yīng)力分布云圖，以及各個螺紋牙面上的應(yīng)力分布情況，在圖3.2中表示的是從小端到大端的應(yīng)力分布情況。

圖3.3中將仿生凹槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的油管螺紋的仿真應(yīng)力分析結(jié)果與未進行優(yōu)化的油管仿真應(yīng)力結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示在最佳扭矩的模擬狀態(tài)下，仿生溝槽螺紋整體應(yīng)力在350～740MPa范圍內(nèi)，整體應(yīng)力值低于普通螺紋，對應(yīng)位置各牙載荷分布全面降低，油管螺紋載荷分布更加均勻合理。其中第一個有效螺紋應(yīng)力從807.38MPa降低到736.63MPa；第二個有效牙應(yīng)力從775.13MPa降低到732.09MPa；第三個有效牙應(yīng)力從744.06MPa降低到712.40MPa，有效緩解了油管外螺紋前端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對螺紋抗粘扣性能起到了優(yōu)化作用。

圖8 仿生油管螺紋受擰緊扭矩作用下各螺牙應(yīng)力分布取樣

圖9 普通油管螺紋與仿生非光滑結(jié)構(gòu)油管螺紋在擰緊力矩作用下載荷分布對比

3.3 仿生油管螺紋在軸向力作用下的仿真分析

將建模后的仿生溝槽結(jié)構(gòu)油管螺紋進行受軸向力下的載荷分布分析，定義單元類型及材料屬性。劃分網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格單元306541個，節(jié)點數(shù)144504個；定義邊界條件后加載求解。分析結(jié)果得出如圖10所示的應(yīng)力分布云圖。

圖10 仿生非光滑油管螺紋在軸向力作用下各齒載荷抽樣

通過與無仿生非光滑表面結(jié)構(gòu)的油管螺紋在受軸向力情況下的載荷分布對比發(fā)現(xiàn)，帶有仿生溝槽結(jié)構(gòu)的螺紋牙面應(yīng)力全面小于普通螺紋，而且中間部分的螺紋牙承載能力增強，有效改善了兩端螺牙載荷集中的狀態(tài)，各螺牙受力更加均勻，對油管螺紋抗粘扣性能起到了明顯地優(yōu)化作用。對比結(jié)果如圖11所示。

圖11 普通油管螺紋與仿生非光滑油管螺紋在軸向力作用下的載荷分布對比

4 結(jié)論

運用有限元分析的方法對仿生螺紋在扭矩作用下的齒面載荷分布進行了模擬，模擬結(jié)果表明:在油管最容易發(fā)生粘扣的上扣、卸扣操作過程中，帶有仿生棱條溝槽結(jié)構(gòu)的油管螺紋各螺牙所受齒面應(yīng)力全面低于普通螺紋的齒面應(yīng)力。對于應(yīng)力比較集中的前端（螺紋外徑小端）的改善作用尤其明顯，提高了油管螺紋在上扣、卸扣過程中的抗粘扣性能。

在受軸向力作用下的各螺牙載荷有限元仿真結(jié)果表明:帶有仿生棱條溝槽結(jié)構(gòu)的油管螺紋各螺牙載荷分布依然呈兩邊高、中間低的狀態(tài)，但是兩端螺牙的載荷明顯降低，中間螺牙承受載荷的比例升高，這說明仿生結(jié)構(gòu)改變了油管螺紋軸向力作用下的載荷分布，使得各牙承載更加均勻，改善了兩端螺牙應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而有效提高了油管螺紋抗粘扣性能。

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An Analysis Based on the Anti-galling Performance of Bionic Tubing Thread on the Surface of Shell

YIN Weiyi，ZHANG Xinming，LIU Jianhe
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Galling is one of the main reasons that caused the malfunction of tubing threads.This paper started with the mechanism of the galling of tubing thread，applying the nonsmoothed and abrasion resistance characteristics of shell surface to tubing thread，in order to achieve anti-galling.A finite element simulation method also conducted to analyze the tooth surface force distribution of ordinary tubing thread and tubing thread with bionic shell trench structure under tightening force and axial force.The results showed that the surface contact stress of bionic tubing thread is less than common tubing thread，which effectively reduced the stress concentration under the surface of helix.

tubing thread；galling；bionic structure；finite element simulation

TE973

A

1672-9870（2016）05-0065-05

2016-03-11

長春理工大學(xué)青年科研基金（202000523）

尹惟一（1987-），男，碩士研究生，E-mail:464617503@qq.com

導(dǎo)師簡介:張心明（1967-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:80382483@qq.com