胡志立， 李小兵， 李建亮， 吳 丹， 付 強(qiáng)，張垂貴， 胡新太， 李 健， 冉雪輝

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司， 湖南 衡陽(yáng)421000）

0 前 言

大直徑套管 （≥Φ339.72 mm） 下井時(shí)不易對(duì)扣， 尤其在海洋、 沙漠等惡劣環(huán)境下， 由于波浪、 大風(fēng)等因素影響， 管柱搖擺不定， API 螺紋接頭容易產(chǎn)生對(duì)扣偏心、 錯(cuò)扣等風(fēng)險(xiǎn)， 從而造成管柱泄漏、 滑脫等事故， 嚴(yán)重影響下井效率， 因此快速螺紋接頭成為最佳解決方案[1-3]。 快速螺紋接頭具有上扣速度快、 對(duì)扣方便、 不易錯(cuò)扣的特點(diǎn)， 下井效率遠(yuǎn)超同規(guī)格同鋼級(jí)API 偏梯扣，可為用戶(hù)節(jié)約大量時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本[4]。 目前， 國(guó)內(nèi)外著名特殊扣廠家均開(kāi)發(fā)了快速螺紋接頭， 如瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司（Vallourec & Mannesmann Tubes， V&M） 開(kāi)發(fā)了Big Omega[5]和DINO VAM 特殊扣； 泰納瑞斯（Tenaris） 開(kāi)發(fā)了ER和Blue Quick Seal 特殊扣； 國(guó)內(nèi)天津鋼管公司開(kāi)發(fā)了TP-QR 特殊扣； 衡陽(yáng)華菱鋼管公司開(kāi)發(fā)了HSQR 快速螺紋接頭等。 本研究針對(duì)衡陽(yáng)華菱鋼管公司生產(chǎn)的HSQR 快速螺紋接頭進(jìn)行有限元及實(shí)物性能分析， 為油田用戶(hù)提供參考。

1 HSQR 快速螺紋接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 優(yōu)化的偏梯螺紋齒形

HSQR 快速螺紋接頭采用優(yōu)化的偏梯螺紋齒形， 增大齒型導(dǎo)向面角度， 增強(qiáng)上扣時(shí)螺紋的導(dǎo)入性能， 入扣容易， 減少錯(cuò)扣的概率， 從而提高下井作業(yè)效率。 另外， 減小承載面角度， 可降低大直徑套管在拉伸載荷下易收縮變形而產(chǎn)生脫扣事故的概率， 提高接頭的連接強(qiáng)度。

1.2 大齒高設(shè)計(jì)

螺紋接頭在受到拉伸載荷的作用下， 內(nèi)螺紋向外膨脹， 外螺紋向內(nèi)收縮， 對(duì)于大直徑套管而言， 由于橢圓度較大， 螺紋周向嚙合受力不均勻， 螺紋接頭就更容易產(chǎn)生滑脫， 因此采用大齒高、 大粗牙的設(shè)計(jì)， 可防止大直徑套管接頭脫扣失效， 保證接頭的連接效率。 同時(shí)， 優(yōu)化了公母螺紋齒側(cè)之間和齒頂之間的間隙， 保證了接頭具有良好的上扣操作性和抗泄漏能力。

1.3 大螺距、 大錐度設(shè)計(jì)

HSQR 快速螺紋接頭采用大螺距、 大錐度設(shè)計(jì)， 深度對(duì)扣時(shí)可方便快速上扣， 提高了下井作業(yè)效率。

1.4 優(yōu)化的螺紋中徑配合尺寸

通過(guò)優(yōu)化的公母螺紋中徑尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)合理的螺紋過(guò)盈配合， 從而保證公母螺紋在上扣后具有理想的應(yīng)力分布狀態(tài)。

2 有限元分析

2.1 模型建立

以衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司生產(chǎn)的規(guī)格為Φ339.72 mm×12.19 mm L80 HSQR 快速螺紋接頭為例進(jìn)行分析。 采用ABAQUS 為分析軟件， 輸入幾何模型， 根據(jù)接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)， 將其按軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題處理， 且將接頭的接箍中面處理為對(duì)稱(chēng)面， 該截面內(nèi)各點(diǎn)只有徑向位移自由度； 為消除管端效應(yīng)， 建模時(shí)管體長(zhǎng)度取約為螺紋長(zhǎng)度的3 倍。 建模時(shí)引入下述簡(jiǎn)化和假設(shè)： 由于螺紋的螺旋升角很小， 忽略其影響， 把接頭視為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)； 接頭的材料視為均勻的各向同性體[6-8]。 快速螺紋接頭的有限元模型螺紋部位網(wǎng)格細(xì)化如圖1 所示。 螺紋部位細(xì)化網(wǎng)格為0.1 mm，采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元CAX4。 取材料彈性模量E=2.05×105MPa， 泊松比μ=0.3， 材料模型采用雙線性強(qiáng)化模型， 根據(jù)接頭的實(shí)際材料性能輸入真實(shí)應(yīng)力、 真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)。 根據(jù)接頭的受力施加邊界條件。

圖1 HSQR 快速螺紋接頭有限元模型螺紋部位網(wǎng)格細(xì)化

2.2 上扣有限元分析

HSQR 快速螺紋接頭在規(guī)定最小上扣位置時(shí) （接箍上扣至三角形底邊） 的應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 上扣后接頭表現(xiàn)為偏梯形螺紋接頭典型的上扣應(yīng)力分布狀態(tài)， 接箍端部和管體端部?jī)啥藨?yīng)力高、 中間應(yīng)力水平低， 整體應(yīng)力水平低于材料屈服強(qiáng)度， 接頭整體應(yīng)力分布狀態(tài)與設(shè)計(jì)構(gòu)想一致。

圖2 最小上扣位置時(shí)HSQR 快速螺紋接頭的應(yīng)力分布云圖

HSQR 快速螺紋接頭在規(guī)定最大上扣位置時(shí) （接箍上扣至三角形底邊過(guò)去4 mm 處） 的應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。 由圖3 可以看出，上扣后仍然是接箍端部和管體端部?jī)啥藨?yīng)力高、中間應(yīng)力水平低， 特別是最后嚙合三扣消失螺紋牙應(yīng)力水平較高， 整體應(yīng)力水平高于最小上扣位置時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)， 與材料屈服強(qiáng)度相比， 接頭整體應(yīng)力水平仍較低， 整個(gè)應(yīng)力分布與設(shè)計(jì)構(gòu)想一致。 通過(guò)對(duì)最小上扣位置和最大上扣位置的分析可以看出， 接頭整體應(yīng)力分布狀態(tài)合理， 說(shuō)明螺紋的過(guò)盈量范圍設(shè)計(jì)較為合理。

圖3 最大上扣位置時(shí)HSQR 快速螺紋接頭的應(yīng)力分布云圖

2.3 拉伸失效有限元分析

按照等步長(zhǎng)加載的方法施加拉伸載荷， 直至最后嚙合螺紋牙突然出現(xiàn)較大徑向位移拐點(diǎn)， 導(dǎo)致脫扣失效， 或者突然出現(xiàn)較大等效塑性應(yīng)變拐點(diǎn)導(dǎo)致斷裂失效， 記錄此時(shí)的載荷值。 經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算分析， 接頭在最小上扣位置下拉伸至失效時(shí)的拉伸載荷為8 170 kN， 此時(shí)VME 應(yīng)力為管體的118%， 應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)如圖4 所示。 最后2 扣螺紋牙開(kāi)始脫離嚙合， 從最后嚙合消失螺紋牙開(kāi)始滑脫失效。

圖4 最小上扣位置下拉伸至失效時(shí)HSQR 快速螺紋接頭的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

接頭在最大上扣位置下拉伸至失效時(shí)的拉伸載荷為8 375 kN， 此時(shí)VME 應(yīng)力為管體的121%， 應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)如圖5 所示。 最后2扣螺紋牙開(kāi)始脫離嚙合， 從最后嚙合消失螺紋牙開(kāi)始滑脫失效。

圖5 最大上扣位置下拉伸至失效時(shí)HSQR 快速螺紋接頭的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖

3 實(shí)物試驗(yàn)

為驗(yàn)證HSQR 快速螺紋接頭的各項(xiàng)性能是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求， 對(duì)其展開(kāi)實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)， 主要檢測(cè)HSQR 接頭的上卸扣性能、 連接強(qiáng)度、 內(nèi)壓及外壓性能。

3.1 上卸扣試驗(yàn)

上扣是螺紋接頭使用的第一步， 上扣質(zhì)量的好壞對(duì)后續(xù)使用性能有較大影響。 按照3 次上扣2 次卸扣， 螺紋脂采用Bestolife 72733， 接箍進(jìn)行磷化處理。 HSQR 快速螺紋接頭由于是按照三角形位置控制上扣， 本研究上卸扣試驗(yàn)按照最大上扣位置進(jìn)行上扣， 以便得到該接頭最差的抗粘扣性能。 實(shí)物試樣上扣扭矩曲線如圖6 所示， 可以看出上扣扭矩與上扣圈數(shù)線性度較好。 螺紋接頭第2 次卸扣后的照片如圖7 所示， 可以看出內(nèi)外螺紋均沒(méi)有發(fā)生粘扣現(xiàn)象， HSQR 快速螺紋接頭滿(mǎn)足上扣完整性要求。

圖6 HSQR 快速螺紋接頭上扣扭矩曲線

圖7 HSQR 快速螺紋接頭第2 次卸扣后的實(shí)物照片

3.2 拉伸至失效試驗(yàn)

在復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)HSQR 快速螺紋接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 其加載曲線及試驗(yàn)試樣如圖8 所示。 當(dāng)拉伸載荷達(dá)到8 006 kN 時(shí)， 復(fù)合加載系統(tǒng)檢測(cè)到管體伸長(zhǎng)量急劇增加， 表明試樣已經(jīng)發(fā)生屈服， 管體屈服強(qiáng)度為6 923 kN， 此時(shí)失效載荷為管體的115%VME， 超過(guò)同規(guī)格API 偏梯扣的連接強(qiáng)度， 說(shuō)明HSQR 快速螺紋接頭具有優(yōu)異的連接強(qiáng)度。

圖8 HSQR 快速螺紋接頭拉伸試驗(yàn)

3.3 內(nèi)壓至失效試驗(yàn)

在復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)HSQR 快速螺紋接頭進(jìn)行內(nèi)壓試驗(yàn)， 其加載曲線及試驗(yàn)試樣如圖9所示， 內(nèi)壓介質(zhì)為水。 當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到51.7 MPa 時(shí)，壓力開(kāi)始下降， 表明接頭發(fā)生泄漏， 此時(shí)失效壓力為API 偏梯扣最小內(nèi)屈服壓力 （34.0 MPa） 的1.52 倍， 說(shuō)明HSQR 快速螺紋接頭具有優(yōu)異的抗內(nèi)壓泄漏性能。

圖9 HSQR 快速螺紋接頭內(nèi)壓試驗(yàn)

3.4 外壓至失效試驗(yàn)

在外壓擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)HSQR 快速螺紋接頭進(jìn)行外壓試驗(yàn)， 其加載曲線及試驗(yàn)試樣如圖10 所示， 外壓介質(zhì)為水。 當(dāng)外壓達(dá)到25.2 MPa時(shí)發(fā)生管體擠毀， 此時(shí)試樣的外壓失效值為API 偏梯扣擠毀值 （15.6 MPa） 的1.62 倍， 試驗(yàn)結(jié)果表明HSQR 快速螺紋接頭具有優(yōu)異的抗擠毀性能。

圖10 HSQR 快速螺紋接頭外壓試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的HSQR 快速螺紋接頭上扣應(yīng)力水平分布合理， 全尺寸實(shí)物試驗(yàn)表明該接頭滿(mǎn)足2 次卸扣3 次上扣不粘扣的要求， 并且其內(nèi)壓性能、外壓性能、 連接強(qiáng)度均明顯超過(guò)API 偏梯扣性能。 HSQR 快速螺紋接頭在中石油西南油氣紅星1 井以及塔里木油田滿(mǎn)蓬1 井進(jìn)行了下井應(yīng)用，油田客戶(hù)反饋HSQR 快速螺紋接頭對(duì)扣容易，相比同規(guī)格API 偏梯扣下井效率提高了1 倍。