韓 鑫，孟 琪

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著深井超深井、高溫高壓氣井、含腐蝕介質(zhì)氣井、熱采井等復(fù)雜惡劣工況下油氣開(kāi)發(fā)日益增多，油管特殊螺紋接頭已得到廣泛應(yīng)用。目前，特殊螺紋接頭的種類(lèi)繁多，根據(jù)其密封結(jié)構(gòu)可分為錐面-錐面、錐面-球面、球面-球面，其中，錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭是較為常見(jiàn)的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的方法研究，高連新等通過(guò)理論計(jì)算與有限元相結(jié)合研究特殊螺紋接頭的受力和變形，得到變螺距的方法能夠減小螺紋端應(yīng)力集中，進(jìn)而提高特殊螺紋接頭的密封性能[1]；曹銀萍等通過(guò)有限元分析特殊螺紋接頭在內(nèi)壓與軸向力復(fù)合載荷作用下的應(yīng)力分布，提出密封面具有足夠的接觸壓力，就不會(huì)影響其密封性能[2]；竇益華等通過(guò)三維有限元法分析交變載荷作用下特殊螺紋接頭的密封性能，研究表明交變載荷作用下，特殊螺紋接頭密封性能會(huì)受到較大影響[3-4]?，F(xiàn)階段對(duì)于特殊螺紋接頭的研究，主要通有限元以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究特殊螺紋接頭連接強(qiáng)度及密封特性，對(duì)于密封判據(jù)的研究相對(duì)較少。因此，本文通過(guò)建立某錐面-錐面特殊螺紋接頭的三維有限元模型，通過(guò)ABAQUS有限元軟件研究其在復(fù)雜載荷作用下的密封面接觸壓力的分布規(guī)律，依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得出準(zhǔn)確的平均接觸壓力值，然后采用密封臨界指數(shù)判斷密封可靠性，得出平均接觸壓力與擬密封壓力間的關(guān)系，以此判斷特殊螺紋接頭密封。

1 特殊螺紋接頭密封機(jī)理

特殊螺紋接頭主要是通過(guò)密封面接觸來(lái)控制內(nèi)部流體的壓力。依據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，內(nèi)部流體壓力的大小和局部阻力息息相關(guān)，而局部阻力主要取決于特殊螺紋接頭密封面泄露直徑的長(zhǎng)度與間隙面積，當(dāng)間隙截面積較小，接觸壓力就越大。

2 特殊螺紋接頭有限元建模及上扣模擬

以Φ88.9mm×6.45mm P110某特殊螺紋接頭為研究對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行分析。運(yùn)用參照特殊螺紋接頭螺紋參數(shù)，建立其三維模型，運(yùn)用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用C3D8R六面體縮減積分單元，由于密封面為本文主要研究對(duì)象，故對(duì)密封面以及臺(tái)肩進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，保證收斂速度的同時(shí)提高計(jì)算精度。網(wǎng)格劃分如圖1，為了分析密封面上接觸壓力的分布規(guī)律，需建立密封面-臺(tái)肩面接觸對(duì)，采用點(diǎn)對(duì)面的離散方式，將滑移屬性設(shè)置為有限滑移，將接箍的端面設(shè)置為固支約束，同時(shí)在公扣端面的中心創(chuàng)建參考點(diǎn)，并且將此參考點(diǎn)與公扣端面約束設(shè)置為耦合，以便載荷的施加。

圖1 特殊螺紋接頭網(wǎng)格劃分示意圖

首先需研究在最大上扣扭矩作用下特殊螺紋接頭整體應(yīng)力分布情況，通過(guò)有限元計(jì)算，可得特殊螺紋接頭受力（如圖2所示），最大Mises出現(xiàn)在臺(tái)肩處，值為763.3MPa，在臺(tái)肩以及螺紋末端出現(xiàn)應(yīng)力集中，提取螺紋端的等效應(yīng)力，研究螺紋端結(jié)構(gòu)完整性，從螺紋始端開(kāi)始對(duì)螺紋牙進(jìn)行編號(hào)1-12，在最大上扣扭矩作用下螺紋牙的Mises等效應(yīng)力如圖3，Miss應(yīng)力均未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，螺紋端并未發(fā)生塑性變形，此時(shí)模型結(jié)構(gòu)完整。

圖2 Mises應(yīng)力分布云圖

3 特殊螺紋接頭密封性能分析

為了進(jìn)一步分析特殊螺紋接頭密封性能，需研究特殊螺紋接頭在不同工況條件下的密封特性，取三種不同的工況條件，分別是特殊螺紋接頭在最大上扣扭矩作用下，施加800kN拉力；施加80MPa內(nèi)壓以及上扣扭矩、拉力以及內(nèi)壓載荷復(fù)合作用下的密封特性。在特殊螺紋接頭密封面-臺(tái)肩面取12個(gè)節(jié)點(diǎn)，在不同載荷作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變化規(guī)律如圖4。沿密封面路徑方向，接觸壓力減小，在臺(tái)肩面處接觸壓力變化較小，主要起輔助密封的作用。僅在上扣扭矩作用時(shí)，平均接觸壓力為500MPa，密封面接觸長(zhǎng)度為0.75mm；加入拉力作用后，平均接觸壓力為300.3MPa，密封面接觸長(zhǎng)度為0.6mm；加入內(nèi)壓作用后，平均接觸壓力為333.3MPa，密封面接觸長(zhǎng)度為0.67mm；在三種載荷符合作用時(shí)，平均接觸壓力為366.7MPa，密封面接觸長(zhǎng)度為1.11mm。在密封面上接觸壓力變化幅度較大的點(diǎn)發(fā)生在節(jié)點(diǎn)2處，沿節(jié)點(diǎn)2所在的面，取其圓周環(huán)向路徑，研究特殊螺紋接頭密封面在此處接觸壓力變化規(guī)律。

圖3 螺紋端Mises應(yīng)力曲線

圖4 密封面-臺(tái)肩面接觸壓力曲線

由圖5可知，在拉力作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變化不大，拉力對(duì)特殊螺紋接頭密封性能影響較??；再加入內(nèi)壓之后，接觸壓力變化較大且成遞增趨勢(shì)，內(nèi)壓在一定范圍內(nèi)有助于接頭密封。

4 特殊螺紋接頭密封判據(jù)研究

對(duì)于錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，是基于密封接觸能機(jī)理對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。密封接觸能理論認(rèn)為，特殊螺紋接頭的密封性能是通過(guò)密封接觸強(qiáng)度來(lái)表示，密封接觸強(qiáng)度定義為密封接觸應(yīng)力在有效密封長(zhǎng)度上的線積分。

其中：fs為密封接觸強(qiáng)度；lel為有效密封接觸長(zhǎng)度；Pc為接觸應(yīng)力。MURTAGIAN通過(guò)研究密封面接觸應(yīng)力與密封性能[5]，將密封指數(shù)定義為：

其中：L為密封接觸長(zhǎng)度；n為相關(guān)性指數(shù)，當(dāng)使用密封脂時(shí)，n=1.2，當(dāng)未使用密封脂時(shí)，n=1.4。Xie通過(guò)有限元分析對(duì)金屬密封進(jìn)行進(jìn)一步研究，當(dāng)極限泄露速度為0.025cm3/15min時(shí)，提出高溫高壓井臨界密封指數(shù)為：

其中：Pa為大氣壓力；PP為擬密封氣體壓力。

要使得特殊螺紋接頭不發(fā)生泄露，必須滿(mǎn)足W≥Wac。分別取密封氣體壓力為 50MPa，60MPa，70MPa，80Mpa，90MPa，100MPa，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的臨界密封指數(shù)，如表1。

表1 臨界密封指數(shù)

在此選取氣密封壓力為 50MPa，70MPa，100MPa做平均接觸壓力與密封接觸長(zhǎng)度關(guān)系圖，如圖6。當(dāng)接觸長(zhǎng)度較大時(shí)，需要的接觸壓力較小，要使得特殊螺紋接頭不發(fā)生泄漏，平均接觸壓力與密封接觸長(zhǎng)度組合的點(diǎn)應(yīng)位于曲線上方，因此氣密封壓力為50MPa，進(jìn)而得出密封面平均接觸壓力為氣密封壓力的5.5～6倍，盡量增大密封面接觸長(zhǎng)度，可以以此來(lái)判斷特殊螺紋接頭密封完整性。

圖5 節(jié)點(diǎn)2處環(huán)向路徑接觸壓力曲線

圖6 接觸壓力-接觸長(zhǎng)度關(guān)系圖

5 結(jié)論

特殊螺紋接頭在上扣后，應(yīng)力分布比較合理，靠近螺紋端的密封面上接觸應(yīng)力較大，主要起分擔(dān)載荷的作用。在拉伸載荷作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變化不大，接觸長(zhǎng)度變短，使得特殊螺紋接頭密封性能降低；在壓力作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變大，接觸長(zhǎng)度變長(zhǎng)，內(nèi)壓在一定范圍內(nèi)有助于特殊螺紋接頭密封。因此，為了保證特殊螺紋接頭密封性，需要合理控制上扣扭矩，同時(shí)避免環(huán)空帶壓，確保特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)合理性，從而提高特殊螺紋密封性能。依據(jù)金屬密封接觸能理論，當(dāng)特殊螺紋接頭密封面平均接觸壓力為氣密封壓力的5.5倍，具有較長(zhǎng)的密封長(zhǎng)度，此時(shí)，特殊螺紋接頭具備較好密封性，可以以此來(lái)判斷特殊螺紋接頭密封性能。