吳 丹

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng)421001）

無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

吳 丹

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng)421001）

為滿(mǎn)足油田對(duì)特殊油管作業(yè)管柱的要求，通過(guò)有限元分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新型無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管特殊螺紋接頭。新型無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管接頭螺紋采用兩級(jí)圓柱螺紋，齒頂、齒底平行于管體軸線(xiàn)，齒形為優(yōu)化的偏梯形螺紋；密封結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)密封，主密封為錐面對(duì)錐面的金屬密封，次密封為斜面臺(tái)階密封；扭矩臺(tái)階采用兩級(jí)直角臺(tái)階，抗壓縮性能良好。有限元分析結(jié)果和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證表明，此接頭抗粘扣性能良好，具有較優(yōu)異的連接強(qiáng)度及抗內(nèi)壓性能，適合對(duì)接頭外徑有限制且對(duì)油管接頭性能要求較高的油井使用。

油管；雙臺(tái)肩；無(wú)接箍；特殊螺紋接頭

Abstract:In order to meet the requirements of the oil field for the special tubing string,a new type of no-coupling double shoulder tubing special threading connector was designed through finite element analysis and structural optimization.The new type no-coupling double shoulder tubing threading connector adopts two levels cylindrical thread,the thread crest and root are parallel to the pipe body axis,and thread profile is optimized buttress thread;the seal structure adopts a two-stage seal,the main seal is the metal seal of the cone to the cone,and the secondary seal is the bevel step seal.The torque step adopts two-step right angle step,and the compression performance is good.Finite element analysis results and physical test showed that the anti-galling performance of this joint is good,has the excellent connection strength and internal pressure resistance,it is suitable for the oil well with limit to outer diameter of joints and high performance requirements for tubing joint.

Key words:tubing;double shoulder;without coupling;premium tread connection

油田進(jìn)行油管作業(yè)時(shí)，由于作業(yè)次數(shù)增多以及受到環(huán)空間隙的影響，對(duì)接頭的外徑尺寸有一定的要求，并且要求保證密封性能、連接強(qiáng)度以及抗壓縮性能。API油管分為加厚油管（EU）和不加厚油管（NU），因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，存在很多難以克服的缺陷，比如抗粘扣性能差、密封性能差等。因此，本研究設(shè)計(jì)了一種無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管新型特殊螺紋接頭，以滿(mǎn)足對(duì)接頭外徑有限制且對(duì)油管接頭性能要求較高的油井。

1 新型特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)、外螺紋接頭結(jié)構(gòu)

無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用管端內(nèi)外加厚的方式，在管體上直接加工內(nèi)螺紋和外螺紋，不同管體之間的內(nèi)、外螺紋互相連接，不帶接箍。外螺紋接頭從管端起，依次設(shè)計(jì)管端直角臺(tái)肩、錐面密封、前級(jí)螺紋、中間扭矩臺(tái)肩、后級(jí)螺紋和斜面臺(tái)肩。內(nèi)螺紋接頭從管端起，依次設(shè)計(jì)斜面臺(tái)階、前級(jí)螺紋、中間扭矩臺(tái)肩、后級(jí)螺紋、錐面密封和直角臺(tái)肩。內(nèi)、外螺紋接頭如圖1所示，前級(jí)螺紋和后級(jí)螺紋為優(yōu)化的偏梯形螺紋，是錐度為0的圓柱螺紋，螺紋齒頂、齒底平行于管體軸線(xiàn)。

圖1 無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管內(nèi)、外螺紋接頭

1.2 螺紋齒形設(shè)計(jì)

1.2.1 螺紋承載面和導(dǎo)向面角度

外螺紋與內(nèi)螺紋擰接后，相互接觸面稱(chēng)為承載面，另一面稱(chēng)為導(dǎo)向面。承載面為正角度，在上扣時(shí)不易磨損，可減少上扣時(shí)的應(yīng)力集中，增加螺紋的使用壽命，且有利于減少鍍層在承載面的積存。螺紋導(dǎo)向面采用大角度，可降低錯(cuò)扣率，利于油田下井，便于對(duì)扣，提高作業(yè)效率。通過(guò)有限元分析及綜合考慮，確定承載面角度為+6°，導(dǎo)向面角度為15°，如圖2所示。

圖2 外螺紋接頭齒形

1.2.2 螺紋齒高、螺距和錐度

內(nèi)螺紋和外螺紋連接后，在載荷的作用下，內(nèi)螺紋會(huì)向外膨脹，外螺紋會(huì)向內(nèi)收縮，如果內(nèi)、外螺紋的徑向位移大于齒高，則會(huì)產(chǎn)生滑脫。但對(duì)于管體外徑88.9 mm的油管，連接后接頭變形小，可選擇較低的齒高；同時(shí)可選擇較小的螺距來(lái)提高連接強(qiáng)度，但過(guò)小的螺距將影響上扣效率。API偏梯形螺紋的螺距為每英寸5牙（5牙/2.54 mm），齒高為1.575 mm。綜合考慮確定本研究螺距為每英寸6牙（6牙/2.54 mm），內(nèi)、外螺紋齒高為1.28 mm，螺紋錐度為0。

1.2.3 螺紋過(guò)盈

為使接頭的危險(xiǎn)截面面積大于或等于管體的橫截面積，從而保證接頭拉伸屈服強(qiáng)度大于或等于管體拉伸屈服強(qiáng)度，同時(shí)兼顧接頭的外徑及內(nèi)徑尺寸，確定對(duì)管端進(jìn)行內(nèi)、外加厚。螺紋主要承受載荷和連接作用，采用圓柱螺紋無(wú)過(guò)盈設(shè)計(jì)，可保證接頭的抗粘扣性能，降低上扣應(yīng)力水平。

1.3 螺紋密封

密封結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)密封，第1級(jí)密封為主密封，采用錐面對(duì)錐面金屬密封，內(nèi)、外螺紋的密封錐度為1∶1.8；第2級(jí)密封為次密封，采用斜面臺(tái)肩密封，斜面臺(tái)肩與管體軸線(xiàn)的夾角為65°。當(dāng)內(nèi)、外螺紋接頭初步擰接時(shí)，主密封先接觸，產(chǎn)生接觸壓力，隨著進(jìn)一步擰緊，扭矩增大，次密封斜面臺(tái)肩接觸，以減少主密封的應(yīng)力集中，保證接頭的密封性能，同時(shí)具有上扣定位和防過(guò)扭矩作用。

1.4 螺紋扭矩臺(tái)階

扭矩臺(tái)階設(shè)計(jì)為兩級(jí)90°直角臺(tái)肩，分別為中間扭矩臺(tái)肩和端部直角臺(tái)肩。一般的無(wú)接箍式直連型接頭的壓縮性能較低，通過(guò)合理設(shè)計(jì)的無(wú)接箍式雙臺(tái)階接頭抗壓縮性能達(dá)到管體壓縮屈服強(qiáng)度的80%。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

利用ABAQUS軟件對(duì)L80-1鋼級(jí)Φ88.9 mm×9.52 mm無(wú)接箍式雙臺(tái)肩接頭進(jìn)行有限元分析計(jì)算。根據(jù)接頭的實(shí)際材料性能輸入其彈性模量和泊松比，并以表格形式輸入真應(yīng)力—真應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，將其按軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題處理，為消除管端效應(yīng)，建模時(shí)取管體長(zhǎng)度約為螺紋長(zhǎng)度的3倍。接頭材料視為均勻的各向同性體，接觸面的摩擦系數(shù)與實(shí)際接觸面粗糙度及實(shí)際螺紋脂類(lèi)型有關(guān)，按實(shí)際試驗(yàn)選取。圖3為螺紋接頭有限元網(wǎng)格模型，接觸部位進(jìn)行細(xì)化，采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元CAX4，接觸模式為surface to surface。

圖3 特殊螺紋接頭的接觸部位有限元網(wǎng)格局部細(xì)分

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

圖4為螺紋接頭在不同狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力云圖。由圖4（a）可以看出，在主密封以及外斜臺(tái)肩處應(yīng)力水平較高，接觸受力較大，能保證良好的密封作用；靠近外斜臺(tái)肩螺紋部位應(yīng)力水平較高，中間螺紋部位應(yīng)力水平低，最大應(yīng)力均在材料屈服應(yīng)力以?xún)?nèi)。圖4（b）為上扣+管體100%VME拉伸等效應(yīng)力云圖，可以看出，此時(shí)管體接近屈服，管體以及連接部位危險(xiǎn)截面應(yīng)力水平達(dá)到最高，但內(nèi)外密封部位仍保持較好的接觸狀態(tài)，螺紋保持較好的連接狀態(tài)，說(shuō)明接頭已超過(guò)管體連接強(qiáng)度。圖4（c）為上扣+管體80%VME壓縮等效應(yīng)力云圖，可以看出，連接部位兩端應(yīng)力水平較高，其中外斜臺(tái)肩局部開(kāi)始出現(xiàn)屈服，但還未達(dá)到屈服貫穿，此時(shí)為接頭最大壓縮效率。圖4（d）為上扣+管體100%VME內(nèi)壓等效應(yīng)力云圖，可以看出，管體及接頭中間管內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)屈服，內(nèi)螺紋部位應(yīng)力水平仍然較低，接頭未發(fā)生變形，螺紋及密封部位仍然保持良好的連接狀態(tài)，說(shuō)明接頭達(dá)到管體100%VME內(nèi)壓。

圖4 螺紋接頭不同狀態(tài)應(yīng)力云圖

3 特殊螺紋接頭實(shí)物試驗(yàn)

為驗(yàn)證接頭的各項(xiàng)設(shè)計(jì)是否能達(dá)到預(yù)期的性能，實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。試驗(yàn)主要驗(yàn)證接頭的上卸扣性能、密封性能和拉伸失效。試驗(yàn)方案為：2組試樣→最大扭矩上卸扣11次→最小扭矩最終上扣→氣密封循環(huán)試驗(yàn)→拉伸至失效試驗(yàn)。其中，2組試樣為Φ88.9 mm×9.52 mm規(guī)格L80-1無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管。

3.1 上/卸扣試驗(yàn)

螺紋接頭上/卸扣試驗(yàn)條件見(jiàn)表1，上卸扣試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，第11次卸扣后的螺紋形貌如圖5所示。上卸扣試驗(yàn)結(jié)果顯示，1#、2#試樣在上/卸扣過(guò)程中均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象。

表1 上/卸扣試驗(yàn)條件

表2 上卸扣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 第11次卸扣后內(nèi)外螺紋形貌

3.2 封堵管端內(nèi)壓循環(huán)試驗(yàn)

封堵管端內(nèi)壓循環(huán)試驗(yàn)步驟見(jiàn)表3。從表3可以看出，1#、2#試樣在封堵管端內(nèi)壓氣密封循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中均未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

表3 封堵管端內(nèi)壓循環(huán)試驗(yàn)步驟

3.3 螺紋接頭拉伸試驗(yàn)

對(duì)1#、2#試樣進(jìn)行螺紋接頭拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，失效結(jié)果為管體斷裂失效，表明接頭的連接強(qiáng)度達(dá)到管體強(qiáng)度。螺紋接頭拉伸失效后的形貌如圖6所示。

表4 螺紋接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 接頭拉伸試樣失效形貌

4 結(jié) 論

（1）為滿(mǎn)足對(duì)特殊油管作業(yè)管柱的要求，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新型無(wú)接箍式雙臺(tái)肩油管特殊螺紋接頭。

（2）經(jīng)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，該特殊螺紋接頭可上扣12次，具有優(yōu)良的抗粘扣性能。

（3）該接頭設(shè)計(jì)有兩級(jí)直角臺(tái)肩，有限元分析結(jié)果表明：接頭具有良好的抗壓縮性能；封堵管端內(nèi)壓試驗(yàn)未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，接頭密封性能良好；拉伸失效斷裂在管體，接頭連接強(qiáng)度可靠。

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編輯：羅 剛

Structure Design and Analysis for No-coupling Type Double Shoulder Tubing Joint

WU Dan
（Hengyang Valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,Hunan,China）

TG62

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.007

吳 丹（1982—），女，湖南岳陽(yáng)人，工程師，主要從事油套管螺紋接頭產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)。

2017-04-26