鄧都都，李進(jìn)，韓天夫，趙建剛，丁明，孫涌，許云博，李慧想

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

高溫高壓測(cè)試腔是國(guó)家重大科學(xué)儀器專(zhuān)項(xiàng)《超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項(xiàng)目中研制的關(guān)鍵部件之一。該部件的研制能夠有效解決在超高壓力超高溫度的試驗(yàn)條件下測(cè)試鉆井液、壓裂液等各種牛頓流體或非牛頓流體的流變性，為超高溫高壓鉆井液流變儀的研制成功起到了關(guān)鍵作用。根據(jù)測(cè)試需求，超高溫高壓流變儀工作時(shí)耐壓測(cè)試腔內(nèi)部最高壓力達(dá)到220 MPa，最高工作溫度320 ℃，設(shè)計(jì)的耐壓測(cè)試腔水壓試驗(yàn)壓力更是要達(dá)到260 MPa，超高的壓力對(duì)螺紋副的強(qiáng)度提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2 超高溫高壓耐壓測(cè)試腔整體設(shè)計(jì)

通過(guò)前期的材料優(yōu)選和仿真設(shè)計(jì)研究，完成了超高溫高壓耐壓測(cè)試腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際的整體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，其主體由泥漿杯、中間體、上端帽組成，這三部分采用螺紋副連接。

圖1 超高溫高壓耐壓測(cè)試腔體整體設(shè)計(jì)圖

根據(jù)耐壓測(cè)試腔的整體設(shè)計(jì)要求，該螺紋連接副為非密封的承壓螺紋，螺紋用鋼為哈氏高強(qiáng)度耐腐蝕合金鋼。耐壓測(cè)試腔實(shí)際工作中頻繁的操作會(huì)造成工作壓力和載荷的變化，而且測(cè)試時(shí)流體高速旋轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生一定的壓力波動(dòng)，這些都會(huì)導(dǎo)致耐壓測(cè)試腔螺紋副承受交變循環(huán)應(yīng)力，對(duì)于這種超高壓容器一般峰值應(yīng)力高，破壞時(shí)循環(huán)周次低，需要按照低周疲勞作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)，提高螺紋副的抗疲勞強(qiáng)度，保證耐壓測(cè)試腔在正常使用過(guò)程中不發(fā)生破壞[1]。

耐壓測(cè)試腔的水壓試壓最高達(dá)到260 MPa，此時(shí)螺紋副承受軸向峰值載荷巨大，需要合理的設(shè)計(jì)并按照靜強(qiáng)度理論校核其強(qiáng)度，以保證螺紋連接的安全可靠。

3 螺紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于螺紋副聯(lián)接在承受載荷時(shí)，旋合的各圈螺紋實(shí)際受力是不均勻的，從起始端向末端逐級(jí)遞減，實(shí)際前1/3長(zhǎng)度的螺紋已經(jīng)承受了總載荷的60%～70%，后2/3螺紋僅承受了總載荷的30%～40%[2，3]。傳遞力的第1圈螺紋所受載荷最大，以后各圈遞減，螺紋副的旋合長(zhǎng)度越長(zhǎng)，整體結(jié)構(gòu)受力的不均勻程度就越明顯；因此，單純地增加旋合長(zhǎng)度對(duì)于提高螺紋副的承載能力并不能起到根本的作用。針對(duì)于超高溫高壓腔體的使用需求，需要綜合多方面的考慮，完成螺紋副的設(shè)計(jì)，最大程度的提高螺紋副的疲勞強(qiáng)度[4]。

3.1 選擇合適的螺紋牙形[5]

根據(jù)流變儀測(cè)試需求，耐高壓腔體的螺紋在測(cè)試時(shí)需要承受巨大的載荷，測(cè)試后又需要快速方便的開(kāi)啟。普通的粗牙螺紋自鎖性能與抗剪切性能較好，應(yīng)用廣泛；但是其抗拉強(qiáng)度不夠，又不耐磨，難以滿足超高壓容器的使用需求。普通螺紋螺距短，牙型高度較小，導(dǎo)致這種螺紋強(qiáng)度遠(yuǎn)低于梯形螺紋。梯形螺紋具有工藝性能好、牙根強(qiáng)度高、螺紋副對(duì)中性能好的特點(diǎn)，抗拉和抗剪切性能優(yōu)良，螺紋旋合與拆卸方便，已在很多儀器中得到了應(yīng)用[6,7]。

3.2 降低螺紋牙的應(yīng)力集中

由于筒體螺紋的牙根和退刀槽部位結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，也是產(chǎn)生疲勞裂紋引起斷裂的危險(xiǎn)部位，特別是受力很大的第1～2圈螺紋處，情況更為嚴(yán)重。為了降低該處的應(yīng)力集中，對(duì)牙底做大圓弧處理，可以在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡可能的增大牙底的圓角半徑，牙頂做倒角處理，充分保證螺紋的圓滑過(guò)渡，也能更好的保證螺紋副快速的安裝與拆卸，具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。這樣的設(shè)計(jì)能夠有效地減少螺紋根部的應(yīng)力集中，提高螺紋的疲勞強(qiáng)度。

圖2 改進(jìn)的螺紋牙形

3.3 改進(jìn)螺紋受力部位

根據(jù)螺紋的實(shí)際受力情況，螺紋承受最大載荷的部位是在受載端的最初幾圈螺紋，該部位螺紋的結(jié)構(gòu)剛度與螺紋所能承受的最大應(yīng)力有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)剛度大，螺紋在承受載荷時(shí)的變形就小，螺紋根部的應(yīng)力集中就明顯；相反，局部剛度適當(dāng)降低，可以增大螺紋由于受載產(chǎn)生的變形，由于變形協(xié)調(diào)，局部較高的應(yīng)力峰值就降低了，從而減少了應(yīng)力集中。因此，通過(guò)改變螺紋部位的實(shí)際受力點(diǎn)的位置，人為地將最大作用力從端部轉(zhuǎn)移到第2～3圈螺紋處，改善了整體螺紋的受力分布情況，可以起到降低應(yīng)力峰值的作用，改進(jìn)后螺桿受力位置如圖3所示。采用圖示中的結(jié)構(gòu)有效的降低了螺紋的局部應(yīng)力峰值，提高螺紋的疲勞強(qiáng)度。

圖3 改進(jìn)螺紋受力位置

3.4 改進(jìn)螺紋加工工藝

由于螺紋本身結(jié)構(gòu)具有特殊性，螺紋副的整體的接觸性能是否良好，對(duì)螺紋副的抗疲勞強(qiáng)度有很大影響，實(shí)際加工時(shí)應(yīng)該盡可能的提高加工精度，降低螺紋受力面的表面粗糙度，可以降低萌生裂紋的數(shù)量和尺寸，從而明顯地提高疲勞壽命。采用滾壓工藝對(duì)螺紋進(jìn)行強(qiáng)化處理[8,9]，滾壓強(qiáng)化是使用一個(gè)與螺紋根部的圓角幾何尺寸完全相同的滾輪，在零件旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)螺紋施加一定的壓力，使金屬表面產(chǎn)生一個(gè)彈塑性變形層，在這個(gè)變形層內(nèi)造成了很高的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。有實(shí)驗(yàn)研究表明，滾壓強(qiáng)化后螺紋整體疲勞強(qiáng)度極限能夠提高60%[10]。

4 螺紋強(qiáng)度校核

4.1 受力情況

根據(jù)超高溫高壓流變儀耐壓測(cè)試腔的整體設(shè)計(jì)，腔體實(shí)際為上端帽、中間體和泥漿杯三部分組成，實(shí)際的螺紋連接結(jié)構(gòu)有兩部分，即為中間體與上端帽之間、中間體與泥漿杯之間?？紤]到耐壓測(cè)試腔體泥漿杯與上端帽內(nèi)體聯(lián)通為一個(gè)整體，實(shí)際加液壓后內(nèi)部的壓力相同。通過(guò)分析比較上端帽承載面積明顯小于泥漿杯的承載面積，下部泥漿杯產(chǎn)生的軸向應(yīng)力要明顯大于上端帽，而兩個(gè)部分的螺紋副旋合長(zhǎng)度也相當(dāng)，故只需要對(duì)中間體與泥漿杯之間的連接螺紋進(jìn)行強(qiáng)度校核即可。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論，當(dāng)螺桿與螺母材料相同時(shí)，由于螺桿的小徑d小于螺母的螺紋的大徑D，螺桿螺紋牙受力要大于螺母螺紋牙的受力，實(shí)際只需校核螺桿強(qiáng)度即可。

4.2 螺紋參數(shù)

實(shí)際設(shè)計(jì)的的螺桿梯形螺紋結(jié)構(gòu)特征如圖4，其中P=6.35 mm，牙型角θ=29°，螺紋牙型高度h=4 mm，牙底圓半徑R=1.38 mm，螺桿螺紋大徑D=6.5 mm，螺桿螺紋中徑d=64.5 mm。螺紋總牙數(shù)a=8.3，考慮實(shí)際裝配中的工藝因素，有效嚙合的螺紋牙數(shù)為b=6。

圖4 梯形螺紋結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)文獻(xiàn)[11]對(duì)于螺紋連接壓力分布的研究，可以知道分配系數(shù)分布在各扣螺紋上具有一定的規(guī)律，約前1/3螺紋牙的承載水平較高。承載力最大的螺紋牙承受的軸向載荷大約為整個(gè)螺桿平均承載水平的一倍。根據(jù)這一理論可以知道，實(shí)際校核時(shí)只需校核承受力最大的一個(gè)螺紋牙，如果其滿足強(qiáng)度要求，其他的螺紋牙必然也滿足，校核時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，選擇第四強(qiáng)度理論來(lái)進(jìn)行校核。

4.3 螺桿最大軸向載荷計(jì)算

選擇加壓的工況是在耐壓測(cè)試腔體的水力試壓極限，即內(nèi)部壓力Pt=260 MPa時(shí)，此時(shí)由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向載荷W：

根據(jù)文獻(xiàn)給出的經(jīng)驗(yàn)公式可知，實(shí)際作用在螺紋上的最大軸向載荷W0應(yīng)該為所用承載螺紋的平均應(yīng)力的兩倍，根據(jù)設(shè)計(jì)有效嚙合的螺紋牙數(shù)為6，則螺紋牙上最大的載荷計(jì)算如下：

4.4 螺紋的最大應(yīng)力

根據(jù)公式，此時(shí)有作用在螺紋上的最大剪應(yīng)力與最大彎曲應(yīng)力計(jì)算如下：

(1)剪切應(yīng)力τ

(2)彎曲應(yīng)力σ

根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算此時(shí)螺桿上產(chǎn)生的最大當(dāng)量應(yīng)力σca為：

螺桿采用哈氏高強(qiáng)度耐腐蝕合金鋼，材料的抗拉強(qiáng)度σb=790 MPa，根據(jù)公式可知該螺紋的安全系數(shù)n=σb/σca= 3.3，根據(jù)我國(guó)高溫高壓容器安全使用規(guī)定安全系數(shù)取值范圍為2.5～4.0，驗(yàn)證可知該設(shè)計(jì)的螺紋副完全滿足實(shí)際工作需求。

5 結(jié)論

本文從螺紋選型、降低螺紋牙應(yīng)力集中、改進(jìn)螺紋受力結(jié)構(gòu)、改善螺紋的加工工藝方面對(duì)超高溫高壓流變儀耐壓測(cè)試腔的螺紋進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，有效地提高了螺紋副的抗疲勞強(qiáng)度。通過(guò)第四強(qiáng)度理論對(duì)螺紋副進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明，在水壓試壓260 MPa的條件下，耐壓測(cè)試腔的螺紋連接是可靠的。

[1] 李茗,許銳冰. 防止超高壓容器螺紋聯(lián)接疲勞失效的措施[J].新技術(shù)新工藝,2016,(1):105-106.

[2] 張振祥. 螺紋前三扣受力及防松能力探討[J].金屬世界,2014,(1):44-46.

[3] 高連新,金燁.套管連接螺紋的受力分析與改善措施[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,(10):1729-1732.

[4] 劉豐,齊軍,唐順杰. 內(nèi)螺紋在超高壓容器中的設(shè)計(jì)與選擇[J]. 機(jī)械工程師,2013,(2):124-125.

[5] 張紅升,曹麗琴,李召生,等.壓力容器用螺紋設(shè)計(jì)選型基本要素[J]. 鍋爐制造,2014,(01):54-55+64.

[6] 張幼振,石智軍,田東莊,等.高強(qiáng)度大通孔鉆桿接頭圓錐梯形螺紋的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(07):1219-1223.

[7] 吳少威,黃曉昆.美制梯形螺紋在石油測(cè)井儀器中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2008,(04):68-71.

[8] 張素穎,周智敏,吳曉蘇,等.大螺距異型螺紋牙根的微滾壓強(qiáng)化技術(shù)[J].金屬熱處理,2015,40(04):135-138.

[9] 夏春和.螺紋根部圓角滾壓強(qiáng)化對(duì)螺紋疲勞壽命的影響[J].航空制造技術(shù),2014,(S1):56-58.

[10] 金錚,張秀林.螺紋滾壓強(qiáng)化前后疲勞斷口的分析[J]. 電子顯微學(xué)報(bào),1996,(06):86.

[11] 張瑾,蔣家羚.高壓連接螺紋軸向載荷分布與應(yīng)力集中研究[J].化工設(shè)備設(shè)計(jì),1991,(04):22-24+45.