劉源紀(jì)愛(ài)敏李塹樊鑫業(yè)許才斌

基于正交試驗(yàn)的特殊螺紋油管接頭性能優(yōu)化分析?

劉源1紀(jì)愛(ài)敏1李塹1樊鑫業(yè)2許才斌2

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院常州213022）（2.江蘇常寶鋼管股份有限公司常州213018）

為了對(duì)某一種特殊螺紋油管接頭的連接性能和密封性能進(jìn)行優(yōu)化分析，利用矩陣分析法對(duì)特殊螺紋油管接頭的承載角、承受的內(nèi)壓、臺(tái)肩角以及錐度的組合進(jìn)行篩選。通過(guò)建立正交試驗(yàn)的三層結(jié)構(gòu)模型和層結(jié)構(gòu)矩陣，利用各層矩陣的乘積得出實(shí)驗(yàn)指標(biāo)值（臺(tái)肩面接觸應(yīng)力，主密封面接觸應(yīng)力，螺紋處最大等效應(yīng)力）的權(quán)矩陣，并計(jì)算出影響特殊螺紋油管接頭的各因素各水平的權(quán)重；根據(jù)權(quán)重的大小，確定最優(yōu)組合方案以及各因素對(duì)油管接頭性能影響的主次順序。結(jié)果表明：承載角為-3°，內(nèi)壓為30MPa，臺(tái)肩角為-15°，錐度為1∶16時(shí)，特殊螺紋油管接頭可以保持相對(duì)較好的連接性能和密封性能。

特殊螺紋；優(yōu)化分析；正交試驗(yàn)；權(quán)矩陣

Class NumberTP391

1引言

為了滿(mǎn)足特殊螺紋油管接頭在日益苛刻的環(huán)境中保證擁有較好的密封性能和連接性能，本研究從特殊螺紋油管接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)及所受內(nèi)壓著手分析，通過(guò)分析承載角、內(nèi)壓、臺(tái)肩角以及錐度這四個(gè)因素對(duì)油管接頭性能的影響，從中篩選出最佳組合方案，從而達(dá)到提升特殊螺紋油管接頭的連接強(qiáng)度和密封性的目標(biāo)。由于在特殊螺紋油管接頭性能優(yōu)化分析的研究中，影響油管接頭性能的因素較多，因此，比較適合選用多指標(biāo)正交試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)油管接頭性能進(jìn)行優(yōu)化分析，而在生產(chǎn)試驗(yàn)中，對(duì)于多指標(biāo)正交試驗(yàn)的解決，普遍采用的方法是取各指標(biāo)權(quán)重的平均值并采用平均賦權(quán)法，利用試驗(yàn)結(jié)果將多指標(biāo)試驗(yàn)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)試驗(yàn)問(wèn)題，然后利用單指標(biāo)分析方法（直觀分析法、效應(yīng)分析法、方差分析法）對(duì)方案進(jìn)行綜合選優(yōu)，這種方法忽略了各指標(biāo)的差異性和重要性，分析結(jié)果難免會(huì)有較大的誤差［1～3］。本文利用矩陣分析法（優(yōu)化的多指標(biāo)正交試驗(yàn)方法）來(lái)分析影響特殊螺紋油管接頭的各因素對(duì)其相應(yīng)指標(biāo)的影響程度，并且可以直接根據(jù)權(quán)重的大小來(lái)確定各影響因素的主次順序，可以較好地解決一般多指標(biāo)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)方案選擇的問(wèn)題［4］。

2正交試驗(yàn)矩陣分析模型

本文采用的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型為三層結(jié)構(gòu)模型，如表1所示，第一層為試驗(yàn)考察指標(biāo)層，第二層為因素層，第三層為水平層，根據(jù)各個(gè)層次的數(shù)據(jù)，給出以下矩陣的定義。

定義1實(shí)驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣：若正交試驗(yàn)中有x個(gè)因素，每個(gè)因素有y個(gè)水平，因素Ai第j個(gè)水平上的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值為hij，如果試驗(yàn)結(jié)果的考察指標(biāo)是越小越好，則Hij=1/hij，如果試驗(yàn)結(jié)果的考察指標(biāo)是越大越好，則令Hij=hij，建立式（1）矩陣。

定義3水平層矩陣：正交試驗(yàn)中因素Ai的極差為，建立式（3）矩陣。

定義4影響試驗(yàn)指標(biāo)值的權(quán)矩陣：w=LT S。

以上矩陣中w1=H11T1S1，H11T1為，是因素A1第一水平的指標(biāo)值占A1所有水平的指標(biāo)值總和的比；時(shí)，是因素A1的極差占所有因素極差總和的比，w1的數(shù)值不僅能夠反映因素A1第一水平對(duì)指標(biāo)值的影響程度，而且能反映因素A1極差的大小，其它的因素和水平也類(lèi)同，根據(jù)以上定義矩陣進(jìn)行計(jì)算，可以得出各因素各水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果考察指標(biāo)影響的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重可以得出試驗(yàn)最優(yōu)方案以及影響因素的主次順序。

3特殊螺紋油管接頭性能優(yōu)化分析

本文以某鋼管有限公司的?177.80×9.19mm H QSC特殊螺紋油管接頭為研究對(duì)象，該油管接頭的螺紋牙型是經(jīng)過(guò)對(duì)偏梯形螺紋進(jìn)行調(diào)整改造而成的，同時(shí)選擇使用錐面對(duì)錐面的主密封以及負(fù)角度的扭矩臺(tái)肩的雙重密封形式，來(lái)加強(qiáng)油管接頭的密封性能［5～6］。由實(shí)際使用情況可知，特殊螺紋油管接頭的承載角dj1、內(nèi)壓h*、臺(tái)肩角度dj3、錐度dr等四個(gè)因素對(duì)油管接頭的連接強(qiáng)度和密封性有較大的影響［7］。試驗(yàn)前由于這些結(jié)構(gòu)參數(shù)配合得不好，經(jīng)常導(dǎo)致油管接頭發(fā)生泄露，嚙合螺紋間發(fā)生粘扣等現(xiàn)象，為了解決這些問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析來(lái)篩選出這四個(gè)因素的最優(yōu)組合，使得特殊螺紋油套管的密封性和連接強(qiáng)度均達(dá)到一個(gè)較好的性能。試驗(yàn)中各影響因素的水平均有三種，因素水平表見(jiàn)表2。

表2 因素水平表

其中所要求的質(zhì)量指標(biāo)為：臺(tái)肩面接觸應(yīng)力（一定范圍內(nèi)越大越好）、主密封面接觸應(yīng)力（一定范圍內(nèi)越大越好）、螺紋處的最大等效應(yīng)力（一定范圍內(nèi)越小越好）［8～9］。綜合以上因素和水平數(shù)目可知，該試驗(yàn)為四因素三水平試驗(yàn)，故選取L9（34）正交表［10］，表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 表頭設(shè)計(jì)

表4 試驗(yàn)方案、試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

第一個(gè)試驗(yàn)考察指標(biāo)為臺(tái)肩面接觸壓力（在一定范圍內(nèi)越大越好），利用矩陣分析法，其權(quán)矩陣w1的計(jì)算過(guò)程為

第二個(gè)考察指標(biāo)為主密封面的接觸壓力（在一定范圍內(nèi)越大越好），同樣采用矩陣分析法可得其權(quán)矩陣（計(jì)算過(guò)程如w1）：

第三個(gè)試驗(yàn)考察指標(biāo)為螺紋處最大等效應(yīng)力（一定范圍內(nèi)越小越好），利用矩陣分析法，其權(quán)矩陣w3的計(jì)算過(guò)程為

由以上式子可得：

在本次正交試驗(yàn)考察指標(biāo)的總權(quán)矩陣為三個(gè)指標(biāo)值的權(quán)矩陣的平均值，計(jì)算過(guò)程如下：

由以上計(jì)算分析可知各個(gè)因素對(duì)正交試驗(yàn)的指標(biāo)值影響的主次順序?yàn)锽DAC（主→次），因素A2、B2、C3、D1的權(quán)重最大，正交試驗(yàn)的最優(yōu)方案為A2B2C3D1，即：特殊螺紋油管接頭在承載角為-3°，承受內(nèi)壓為30MPa，臺(tái)肩角為-15°，錐度為1∶16時(shí)，特殊螺紋油管接頭可以保持相對(duì)較好的連接性能和密封性能，這在很大程度上提高了H QSC特殊螺紋油管接頭在實(shí)際工況下工作時(shí)的抗粘扣能力以及抗泄露能力。此外，經(jīng)過(guò)該正交試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果也比較適合實(shí)際工況，例如：承載角選擇-3°即避免螺紋扣牙上產(chǎn)生較大的塑性變形，又可以較好地防止套管滑脫失效；臺(tái)肩角為-15°可以使得扭矩臺(tái)肩擁有較好的輔助密封效果；當(dāng)單獨(dú)分析內(nèi)壓對(duì)特殊螺紋油套管時(shí)，應(yīng)該是內(nèi)壓越大越好，但是在實(shí)際工況下要綜合全方面的影響因素；因此，通過(guò)與特殊螺紋油套管有限元模型在ANSYS中的應(yīng)力分析相比較，再次驗(yàn)證了應(yīng)用該優(yōu)化的正交試驗(yàn)法可以得到比較可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析可知，本文研究的HQ S C特殊螺紋油套管接頭的正交試驗(yàn)分析結(jié)果和油管接頭實(shí)際工況下的性能試驗(yàn)分析結(jié)果大致相同，利用這種基于正交試驗(yàn)的多指標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)該特殊螺紋油套管接頭進(jìn)行優(yōu)化分析，不僅大大減少了常規(guī)實(shí)際工況下實(shí)驗(yàn)分析的繁瑣步驟，省時(shí)省錢(qián)省力，而且所得試驗(yàn)結(jié)果和在實(shí)際工況下油管接頭性能分析的結(jié)果大致形同，大大提高了對(duì)特殊螺紋油套管性能優(yōu)化分析的效率。

后續(xù)研究中，將利用該正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析方法并結(jié)合SAS軟件計(jì)算分析對(duì)特殊螺紋油套管的連接性能、密封性能以及穩(wěn)定性能做進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

［1］周玉珠.正交試驗(yàn)的矩陣分析方法［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009，39（2）：202-207.

ZHOU Yuzhu.Matrix Analysis Method for Orthogonal Test［J］.Practice and understanding of Mathematics，2009，39（2）：202-207.

［2］李海紅.正交試驗(yàn)法優(yōu)選對(duì)苯二甲酸回收條件［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，25（2）：48-81.

LI Haihong.Orthogonal Test for Optimization of Recycling Conditions［J］.Journal of Hebei University of Engineering（Natural Science Edition），2008，25（2）：48-81.

［3］高連新，史交齊.油套管特殊螺紋接頭連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（2）：16-19.

GAO Lianxin，SHI Jiaoqi.Recent Situation and Future of Premium Tubing/Casing Connections［J］.Oil Field Equip?ment，2008，37（2）：16-19.

［4］魏效玲，薛冰軍，趙強(qiáng).基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多指標(biāo)優(yōu)化方法研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，27（3）：95-99.

WEI Xiaoling，XUE Bingjun，ZHAO Qiang.Optimization Design of the Stability for the Plunger Assembly of Oil Pumps Base on Multi-target Orthogonal Test Design［J］. Journal of Hebei University of Engineering（Natural Sci?ence Edition），2010，27（3）：95-99.

［5］曹銀萍，張福祥.不同外載作用下特殊螺紋油管接頭應(yīng)力有限元分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，30（7）：95-98.

CAO Yinping，ZHANG Fuxiang.Finite Element Analysis of Stresses in Premium Connection Under Various Loads［J］.Manufacturing Automation，2012，30（7）：95-98.

［6］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］.石油機(jī)械，2011，39（4）：14-17.

KONG Hua，BU Yuhuan，MA Mingxin.Study on Charac?teristics of Sealing Structure of special thread joint/cone［J］.China Petroleum Machinery，2011，39（4）：14-17.

［7］王文云，湯云霞，朱明峰.鉆鋌螺紋失效分析及解決措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（12）：45-48.

WANG Wenyun，TANG Yunxia，ZHU Mingfeng.Drill Col?lar Thread Failure Analysis and Settle Measures［J］.Oil Field Equipment，2007，36（12）：45-48.

［8］李連進(jìn)，彭羽，李牧.石油套管特殊螺紋接頭密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［J］.潤(rùn)滑與密封，2015，40（4）：106-109.

LILianjin，PENG Yu，LIMu.Design Method of Seal Struc?ture of Premium Thread Casing Connections［J］.Lubrica?tion Engineering，2015，40（4）：106-109.

［9］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］.技術(shù)交流，2013，42（4）：62-63.

BAIHe，DANG Tao，HE Shilei，etal.FE Analysis on Seal?ing Characteristics of Premium Thread Connection under Simulated Operation Conditions［J］.Steel Pipe，2013，42（4）：62-63.

［10］趙敏，鐘志華.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的微型轎車(chē)側(cè)撞安全性研究［J］.汽車(chē)工程，2010，32（5）：409-412.

ZHAO Min，ZHONG Zhihua.A Research on the Lateral Crash Worthiness of a Mini-car Based on Orthogonal Ex?perimental Design［J］.Automotive Engineering，2010，32（5）：409-412.

Performance Optimization Analysis of SpecialThreaded Pipe Joint Based on OrthogonalTest

LIU Yuan1JI Aimin1LI Qian1FAN Xinye2XU Caibin2
（1.College of Mechanicaland Electronic Engineering，HohaiUniversity，Changzhou 213022）（2.Jiangsu Changbao Steeltube Co.，Ltd，Changzhou 213018）

In order to optimize the connection performance and sealing performance ofa kind ofspecialthreaded tubing joint，the matrix analysis method is used to selectthe bearing angle ofthe jointofthe specialscrew thread，and the combination ofthe in?ternal pressure，the shoulder angle and the taper of the joint.By establishing the three layer structure model of orthogonal test and layer structure matrix，the productofeach layer matrix is used to obtain the experimentalvalues ofthe weightmatrix，including the shoulder ofcontactstress，main sealing surface ofcontactstress and the maximum equivalentstress ofthe screw，and the weights of various factors affecting the jointofspecialthreaded tubing are calculated.According to the weightofthe size，the optimalcombina?tion of the program as well as the impact of the factors on the performance of the main sequence of primary and secondary is deter?mined.The results show thatthe bearing angle is-3°，the internalpressure is 30MPa，the shoulder angle is-15°，the taper is 1∶16，the specialscrew thread jointcan keep relatively good connection performance and sealing performance.

premium thread，optimization analysis，orthogonaltest，weightmatrix

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.002

2017年3月10日，

2017年4月21日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51175146）；江蘇省政策引導(dǎo)類(lèi)計(jì)劃（產(chǎn)學(xué)研合作）前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（編號(hào)：BY2015030-02）資助。

劉源，男，碩士研究生，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)。紀(jì)愛(ài)敏，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)。