蔄靖宇,安 琦

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200237; 2.上海電力學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,上海200090)

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具有臺(tái)階密封面油套管接頭力學(xué)性能有限元分析

蔄靖宇1,2,安 琦1

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200237; 2.上海電力學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,上海200090)

以具有臺(tái)階密封面結(jié)構(gòu)的錐形油套管接頭為研究對(duì)象,以美國石油學(xué)會(huì)(API)圓螺紋套管接頭為例,通過有限元分析計(jì)算,研究了錐螺紋聯(lián)接上扣擰緊時(shí),擰緊圈數(shù)和密封面初始間隙對(duì)密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計(jì)彈性變形量的影響規(guī)律.結(jié)果表明:在密封面初始間隙一定的條件下,螺紋接頭擰緊圈數(shù)增大使密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計(jì)彈性變形量增大;當(dāng)擰緊圈數(shù)相同時(shí),密封面初始間隙越小,密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計(jì)彈性變形量越大.

臺(tái)階油套管接頭; 有限元分析; 力學(xué)性能; 密封面初始間隙

油套管接頭往往具有臺(tái)階密封面結(jié)構(gòu),這種螺紋聯(lián)接在擰緊時(shí)通過臺(tái)階密封面的壓緊作用可實(shí)現(xiàn)密封效果.研究表明,螺紋聯(lián)接處是油套管聯(lián)接中最薄弱的環(huán)節(jié),油套管失效事故60%以上發(fā)生在螺紋聯(lián)接部位[1].由于臺(tái)階密封面的存在,使得螺紋面的受力更加復(fù)雜,對(duì)其擰緊過程進(jìn)行力學(xué)分析十分必要.

有限元法是研究螺紋聯(lián)接力學(xué)行為的有效方法之一.習(xí)俊通等[2]研究了套管螺紋接頭在上扣過盈、軸向拉伸及內(nèi)壓3種工況下各圈螺紋軸向載荷的分布情況,結(jié)果表明:3種工況下各圈螺紋軸向載荷分布都是不均勻的,這種載荷分配的不均勻性對(duì)套管螺紋接頭的抗拉性能有重要影響.Baragetti[3]研究了錐度變化對(duì)具有臺(tái)肩結(jié)構(gòu)錐螺紋接頭載荷分布的影響,研究表明:在一定范圍內(nèi)減小螺紋錐度可有效改善螺紋接頭載荷分布的不均勻性.高連新等[4]針對(duì)圓螺紋接頭在上扣扭矩、軸向拉伸和內(nèi)壓作用下螺紋聯(lián)接平均接觸壓力分布進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:套管接頭螺紋聯(lián)接平均接觸壓力分布呈現(xiàn)兩頭大、中間小的趨勢(shì),為提高套管接頭的連接性能,需對(duì)螺紋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.吳迪平等[5]針對(duì)美國石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,API)圓螺紋石油套管接頭計(jì)算分析了不同接箍螺紋起始斜度下接頭螺紋的接觸狀態(tài)與應(yīng)力分布,通過對(duì)接箍起始斜度的優(yōu)化分析,認(rèn)為接箍最佳起始斜度應(yīng)為50°～55°.王旱祥等[6]定量分析了錐度對(duì)油管螺紋聯(lián)接應(yīng)力的影響,分析結(jié)果表明:錐度的變化影響螺紋聯(lián)接的等效應(yīng)力及接觸應(yīng)力分布.陳守俊等[7]研究了圓錐管螺紋上扣過盈以及軸向拉伸時(shí)螺紋牙齒面上的載荷分布規(guī)律.孫浩等[8]分析了油管螺紋聯(lián)接上扣過盈時(shí)各圈螺紋的受力情況,指出各圈嚙合螺紋齒面受力最大的是齒根部分,對(duì)齒根部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于改善螺紋聯(lián)接承載性能.

可以看出,目前的研究大多是對(duì)油套管螺紋聯(lián)接在上扣過盈、軸向拉伸和內(nèi)壓等工況下的力學(xué)行為進(jìn)行了分析與研究,但大部分沒有考慮附帶密封臺(tái)階面這一結(jié)構(gòu)的螺紋聯(lián)接形式,對(duì)這種聯(lián)接螺紋的軸向受力分布與變形的研究還不多且不夠深入.

本文以帶有密封臺(tái)階的API圓螺紋套管接頭為研究對(duì)象,考慮密封端面的力學(xué)作用,建立了這種錐形油套管接頭有限元分析模型,計(jì)算研究了錐螺紋聯(lián)接上扣擰緊時(shí)擰緊圈數(shù)和密封面初始間隙對(duì)密封面上擠壓力、螺紋軸向力和軸向累計(jì)彈性變形量的影響規(guī)律.

1 錐螺紋聯(lián)接有限元模型

1.1 具有臺(tái)階密封面結(jié)構(gòu)的錐螺紋聯(lián)接建立

本文在建立油套管錐螺紋聯(lián)接模型時(shí),采用的假設(shè)與文獻(xiàn)[9]一致:① 螺紋牙的變形在彈性范圍內(nèi);② 螺紋牙兩側(cè)長度相等;③ 不考慮螺旋角的影響.考慮密封端面的力學(xué)作用,經(jīng)過簡化后,管體與接箍擰緊到手緊位置時(shí)(未發(fā)生徑向過盈)的聯(lián)接示意圖如圖1所示,其中δ為手緊后兩密封端面的初始間隙.

管體與接箍擰緊到機(jī)緊位置時(shí)的聯(lián)接示意圖如圖2所示.從手緊位置起,管體外螺紋旋進(jìn)N圈后,管體外螺紋螺尾端的臺(tái)階面與接箍端面相互接觸壓緊而形成密封面.這時(shí),管體與接箍密封面上由于軸向過盈接觸而產(chǎn)生一個(gè)相互擠壓力;同時(shí),由于螺紋錐度的影響,管體與接箍的螺紋牙發(fā)生徑向過盈配合,螺紋牙齒面上必將產(chǎn)生相互壓緊的接觸壓力.

圖1 手緊位置管體與接箍的聯(lián)接示意圖

圖2 機(jī)緊位置管體與接箍的聯(lián)接示意圖

由圖1和圖2可知,當(dāng)錐螺紋聯(lián)接機(jī)緊N圈時(shí),管體與接箍密封面上的軸向擠壓過盈量δa為

(1)

式中:P為螺距;δ為錐螺紋聯(lián)接手緊后兩密封端面的初始間隙.內(nèi)外螺紋徑向配合過盈量δr為

(2)

式中:t為螺紋錐度.

兩密封面發(fā)生接觸時(shí),由于端面擠壓力的作用,管體外螺紋軸向受拉,接箍內(nèi)螺紋軸向受壓.本文作者前期已對(duì)具有臺(tái)階密封面油套管接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了理論分析,并取得了一定的研究成果[10].為使文獻(xiàn)[10]中的計(jì)算模型與本文的計(jì)算模型具有可比性,將圖2中管體密封面(截面A-A)空間位置固定作為計(jì)算基準(zhǔn)面,來研究錐螺紋接頭機(jī)緊時(shí)計(jì)算基準(zhǔn)面右側(cè)的管體與接箍的受力與變形.

1.2 有限元分析模型建立

針對(duì)上述錐螺紋聯(lián)接的力學(xué)模型,建立有限元計(jì)算模型,研究模擬不同密封端面初始間隙條件下上扣過盈時(shí)的螺紋聯(lián)接力學(xué)性能.有限元建模時(shí)作了如下假設(shè)[11]:① 材料為各向同性;② 由于螺紋升角小于2°,對(duì)螺紋聯(lián)接的應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)影響很小,考慮到分析模型的實(shí)用性,故作為軸對(duì)稱問題進(jìn)行處理;③ 假設(shè)管體和接箍在變形前是圓形的;④ 接觸面的摩擦因數(shù)與采用的螺紋脂類型有關(guān),一般為0.015～0.025,本次計(jì)算假定螺紋接頭各接觸面的摩擦因數(shù)為0.02.

采用大型非線性有限元軟件Marc對(duì)錐螺紋聯(lián)接進(jìn)行二維軸對(duì)稱實(shí)體分析,Marc具有較強(qiáng)的接觸分析功能.圖3所示為計(jì)算基準(zhǔn)面右側(cè)的錐螺紋聯(lián)接有限元模型及網(wǎng)格劃分.有限元模型選用的單元類型為三節(jié)點(diǎn)三角形軸對(duì)稱實(shí)體單元,共有7 903個(gè)單元,4 357個(gè)節(jié)點(diǎn),其中螺紋牙處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理.

圖3 錐螺紋聯(lián)接有限元分析模型與網(wǎng)格劃分

為便于計(jì)算結(jié)果的處理與比較,嚙合螺紋牙編號(hào)時(shí),將管體外螺紋靠近計(jì)算基準(zhǔn)面的第1牙定義為嚙合螺紋編號(hào)1,然后依次編號(hào)直至管體端部.在管體左端面(計(jì)算基準(zhǔn)面)的節(jié)點(diǎn)上施加軸向位移約束,以消除模型的剛體位移.計(jì)算分析中,將錐螺紋聯(lián)接機(jī)緊圈數(shù)轉(zhuǎn)換成密封面軸向過盈和螺紋牙徑向過盈來處理.給定擰緊圈數(shù)N,可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)條件下的螺紋聯(lián)接應(yīng)力狀態(tài),如圖4所示.

圖4 錐螺紋聯(lián)接擰緊時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)

在作者前期的理論分析基礎(chǔ)上,針對(duì)錐螺紋聯(lián)接擰緊時(shí)的齒面最大接觸應(yīng)力,分別進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元分析計(jì)算,結(jié)果對(duì)比如圖5所示.從圖中可以看出,除第1,2圈嚙合螺紋外,有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)及數(shù)量級(jí)還是基本吻合的.兩種計(jì)算方法建模時(shí)所作的假設(shè)與參數(shù)簡化對(duì)計(jì)算結(jié)果是有一定的影響,但所得到的曲線總體變化趨勢(shì)基本一致也相互驗(yàn)證了可靠性.

圖5 理論計(jì)算與有限元法計(jì)算的齒面最大接觸應(yīng)力比較

2 實(shí)例計(jì)算研究

采用上述有限元模型,以API圓螺紋套管接頭為例進(jìn)行力學(xué)性能模擬計(jì)算.參照API 5B標(biāo)準(zhǔn),螺紋接頭的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)見表1.密封面初始間隙分別取δ= 0 mm,δ= 0.3 mm和δ= 0.6 mm.計(jì)算研究不同密封面初始間隙條件下,錐螺紋聯(lián)接擰緊圈數(shù)對(duì)密封面上擠壓力、外螺紋軸向力和管體與接箍軸向彈性累積變形量的影響規(guī)律.

圖6所示為通過Marc有限元分析得到的模擬具有密封端面結(jié)構(gòu)錐螺紋聯(lián)接擰緊時(shí)的Von Mises應(yīng)力云圖.由圖6可以看出:從螺紋聯(lián)接左端開始,管體與接箍基體部分的Von Mises 應(yīng)力基本呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì);發(fā)生嚙合的螺紋牙從第1圈開始,其Von Mises 應(yīng)力依次逐步減小,直到最后2圈略有提升.螺紋聯(lián)接中,接箍左側(cè)端部內(nèi)邊緣和管體第1圈外螺紋左側(cè)齒根處的Von Mises應(yīng)力較高,這是應(yīng)力集中的具體表現(xiàn),可通過設(shè)計(jì)合理的圓角結(jié)構(gòu)改變應(yīng)力狀態(tài).

表1 螺紋接頭的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

圖6 錐螺紋聯(lián)接擰緊時(shí)的Von Mises應(yīng)力云圖

將有限元分析得到的數(shù)據(jù)提取出來并整理,可以得到不同密封端面初始間隙條件下密封面上擠壓力與擰緊圈數(shù)N的變化曲線,如圖7所示.由圖可知,密封端面初始間隙一定時(shí),隨著擰緊圈數(shù)的增加,密封面擠壓力逐漸增大,但環(huán)比增長幅度逐步減小.在擰緊圈數(shù)相同的條件下,密封端面初始間隙越小,密封面擠壓力越大.所以,為提高螺紋聯(lián)接的密封性能,應(yīng)完善加工與安裝工藝,盡量減小密封面初始間隙.

圖7 密封面擠壓力與擰緊圈數(shù)的變化曲線

螺紋聯(lián)接擰緊后,管體外螺紋軸向受拉.圖8所示為管體外螺紋軸向受力分布曲線,其中擰緊圈數(shù)分別為N=1和N=2,密封端面初始間隙分別為δ=0 mm和δ=0.3 mm.由圖8可知,對(duì)管體外螺紋而言,當(dāng)擰緊圈數(shù)和密封面初始間隙一定時(shí),第1圈外螺紋的軸向力最大,后面各圈螺紋的軸向力依次減小,單圈螺紋所受的軸向力分布不均.其中前面第1圈至第3圈螺紋的軸向力下降較快;從第4圈螺紋開始,軸向力下降趨勢(shì)較為平穩(wěn).可見,帶有端面密封結(jié)構(gòu)的錐螺紋聯(lián)接中,靠近密封面的前幾圈嚙合螺紋承受了較大的軸向力.因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)和加工中,應(yīng)從結(jié)構(gòu)和工藝上采取相應(yīng)措施來改善軸向載荷的這種分布不均特性.

由圖8還可看出:對(duì)單圈外螺紋而言,在密封端面初始間隙相同的條件下,其軸向力隨著擰緊圈數(shù)的增加而增大,越是靠近密封面的螺紋牙,其軸向力增大幅度越大;在擰緊圈數(shù)相同的條件下,其軸向力隨著密封初始間隙的減小而增大.

圖8 管體外螺紋軸向受力分布曲線

圖9所示為模擬具有密封端面結(jié)構(gòu)錐螺紋聯(lián)接擰緊時(shí)的軸向彈性應(yīng)變?cè)茍D.由應(yīng)變?cè)茍D及其標(biāo)定可以看出,管體發(fā)生軸向拉伸應(yīng)變,接箍發(fā)生軸向壓縮應(yīng)變.從螺紋聯(lián)接左端開始,軸向拉伸(壓縮)應(yīng)變基本呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì).

圖9 錐螺紋聯(lián)接擰緊時(shí)的軸向彈性應(yīng)變?cè)茍D

以管體密封面作為軸向計(jì)算基準(zhǔn)面,可以計(jì)算出每一圈發(fā)生嚙合的外(內(nèi))螺紋的軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量.圖10所示為外螺紋軸向累計(jì)彈性伸長量變化曲線,圖11所示為內(nèi)螺紋軸向累計(jì)彈性壓縮量變化曲線.其中擰緊圈數(shù)分別為N=1和N=2,密封端面初始間隙分別為δ=0 mm和δ=0.3 mm.

由圖10和圖11可以看出:對(duì)螺紋聯(lián)接整體而言,發(fā)生嚙合的內(nèi)外螺紋軸向累計(jì)彈性變形量的變化規(guī)律基本一致,即當(dāng)擰緊圈數(shù)和密封面初始間隙一定時(shí),外(內(nèi))螺紋從第1圈到最后一圈,其軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量逐漸增大.其中前幾圈(第1～4圈)螺紋軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量增長較快,后面每圈螺紋軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量增長相對(duì)較為平緩,而且擰緊圈數(shù)N越大,前幾圈螺紋軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量變化越明顯.可見,對(duì)于具有端面密封結(jié)構(gòu)的錐螺紋聯(lián)接來說,軸向彈性變形主要發(fā)生在前幾圈螺紋上,擰緊圈數(shù)對(duì)前幾圈螺紋軸向彈性變形的影響更大.

圖10 外螺紋軸向累計(jì)彈性伸長量變化曲線

圖11 內(nèi)螺紋軸向累計(jì)彈性壓縮量變化曲線

從圖10和圖11還可看出：對(duì)單圈內(nèi)外螺紋而言,在擰緊圈數(shù)相同的條件下,密封端面初始間隙越小,螺紋軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量越大;在密封端面初始間隙相同的條件下,擰緊圈數(shù)越大,螺紋軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量越大.

3 結(jié)論

(1) 考慮密封端面的力學(xué)作用,建立了具有臺(tái)階密封面結(jié)構(gòu)的錐形油套管接頭有限元分析模型,利用該有限元模型可計(jì)算出擰緊圈數(shù)和密封面初始間隙一定時(shí)密封面上的擠壓力、螺紋軸向力和螺紋軸向累計(jì)彈性變形量.通過理論計(jì)算和有限元法計(jì)算結(jié)果的比較和分析,驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型的可靠性.

(2) 以API圓螺紋套管接頭為例,計(jì)算并獲得了密封面擠壓力、螺紋軸向力和外(內(nèi))螺紋軸向累計(jì)彈性伸長(壓縮)量與擰緊圈數(shù)、密封面初始間隙的變化關(guān)系曲線.結(jié)果表明:密封面初始間隙直接影響密封面上的擠壓力大小,盡量減小初始間隙可提高螺紋聯(lián)接密封性能;螺紋接頭機(jī)緊后,發(fā)生嚙合的單圈螺紋牙的軸向受力與變形呈現(xiàn)分布不均現(xiàn)象,靠近臺(tái)階密封面的前幾圈螺紋牙軸向受力與變形較大,這種受力與變形的不均勻性對(duì)螺紋接頭的聯(lián)接性能和密封性能有重要影響;擰緊圈數(shù)的變化對(duì)前幾圈嚙合螺紋的軸向受力與變形的影響更為顯著.

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Finite element analysis of mechanical performance for the tubing and casing connection with sealing shouldered face

MAN Jingyu1,2,AN Qi1

(1.School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.School of Mathematics and Physics,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

In this paper,the tubing and casing conical threaded connection with a sealing shoulder face is taken as the research object.An API conical casing threaded connection is taken as the sample and the influences of the tightening cycle and initial sealing clearance on the extrusion force on the sealing face,the axial load and the accumulative axial elastic deformation of each thread are calculated and modeled by finite element analysis.The results show that the extrusion force on the sealing face,the axial load and the accumulative axial elastic elongation(compression)variation of each thread will increase with the increase of the tightening cycle under a certain initial seal clearance.Under the same tightening cycle,a smaller initial sealing clearance can lead to larger the extrusion force on the sealing face,the axial load and the accumulative axial elastic elongation(compression)variation of each thread.

tubing and casing threaded connection with shouldered sealing face; finite element analysis; mechanical performance; initial sealing clearance

蔄靖宇(1972—),男,博士生.E-mail:shiepmjy@163.com

TH 131.3;TE 256.9

A

1672-5581(2017)02-0130-06