陳宇杭， 練章華， 丁亮亮， 于浩， 成旭堂， 王昊

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

隨著工業(yè)發(fā)展，能量需求的增加帶動石油鉆井工藝和技術(shù)的快速發(fā)展，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，油管的性能好壞是減少生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。在各種復(fù)雜惡劣工況下，螺紋是油管柱最易發(fā)生失效的部位。如今各大油田特殊井?dāng)?shù)量大大增加，為滿足生產(chǎn)作業(yè)需要，對螺紋的連接強(qiáng)度和密封性能提出了更高的要求[1]。

近年來學(xué)者們利用有限元法和試驗(yàn)法對特殊螺紋展開了大量研究，特殊螺紋的密封結(jié)構(gòu)和螺紋錐度、承載面角、導(dǎo)向面角等設(shè)計(jì)參數(shù)的改變，對螺紋整體的可靠性有很大的影響，通過優(yōu)化這些設(shè)計(jì)參數(shù)，提高螺紋性能，研發(fā)出適用于不同工況條件下性能更優(yōu)的螺紋[2]。竇益華等[3]利用三維有限元模型研究了上扣扭矩對特殊螺紋性能的影響。張穎等[4]通過數(shù)值模擬對特殊螺紋密封性能開展評價研究，并提出優(yōu)化特殊螺紋氣密封結(jié)構(gòu)的方法。高連新等[5]研究開發(fā)了—種新型雙臺肩高抗扭特殊螺紋接頭，滿足了旋轉(zhuǎn)下套管的技術(shù)要求。李建亮等[6]采用有限元分析和實(shí)物試驗(yàn)對HSM-2-HC特殊螺紋接頭的性能進(jìn)行分析。李遠(yuǎn)征等[7]開發(fā)了BJC-Ⅱ型氣密封特殊螺紋，滿足了螺紋結(jié)構(gòu)和密封完整性要求，為非常規(guī)油氣井的開發(fā)提供了產(chǎn)品保障。

為了解決生產(chǎn)作業(yè)中油管螺紋接頭發(fā)生斷裂、密封失效等問題，根據(jù)不同井況、工況等生產(chǎn)條件，應(yīng)合理選用不同類型的特殊螺紋，但目前對特殊螺紋適用性評價分析較少?，F(xiàn)通過ABAQUS有限元軟件建立油管螺紋接頭的有限元模型，通過數(shù)值模擬和新的評價方法，對比分析兩種油管特殊螺紋接頭在不同工況下各部位的應(yīng)力分布和全螺紋、半螺紋以及密封面與臺肩處的密封性能，為優(yōu)選油管螺紋接頭和安全使用提供依據(jù)。

1 理論模型建立

1.1 幾何模型

建立兩種88.9 mm × 6.45 mm 的 P110油管特殊螺紋接頭的幾何模型。兩種螺紋接頭都采用錐面對錐面的密封形式，臺肩和密封面的結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺紋均為偏梯形特殊螺紋，螺紋部分參數(shù)如表1所示。

圖1 油管特殊螺紋接頭幾何模型Fig.1 Geometric model of special threaded joint of oil pipe

1.2 特殊螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算

主要根據(jù)彈塑性力學(xué)理論結(jié)合API油套管螺紋連接強(qiáng)度公式，以油管螺紋屈服作為失效判斷標(biāo)準(zhǔn)，對油管特殊螺紋在井下的受力情況和失效形式進(jìn)行分析。采用Von Mises失效準(zhǔn)則[8]判斷油管是否進(jìn)入塑形變形，準(zhǔn)則為

(1)

式(1)中：σe為等效應(yīng)力，MPa；σ1、σ2、σ3為第一、第二、第三主應(yīng)力，MPa。

上扣扭矩計(jì)算公式[9]為

(2)

式(2)中：Tn為上扣扭矩，kN·mm；h為螺距，mm；Rt為螺紋平均中間半徑，mm；f為接觸表面的摩擦因數(shù)；Rs為臺肩平均半徑，mm；θ為螺紋牙型半角；ps為臺肩處的接觸力，kN。

螺紋抗拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式[10]為

(3)

P2=0.95A2[p2]

(4)

式(4)中：P1為管體外螺紋抗拉伸強(qiáng)度，N；P2為接箍內(nèi)螺紋抗拉伸強(qiáng)度，N；A1為管體本體橫截面面積，mm2；A2為接箍臨界橫截面面積，mm2；[p1]為管體最小拉伸強(qiáng)度，MPa；[p2]為接箍最小拉伸強(qiáng)度，MPa；D1為管體外徑，mm；[ps]為材料屈服強(qiáng)度，MPa。

螺紋抗壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式[10]為

(5)

式(5)中：Pc為螺紋抗壓縮強(qiáng)度，N；hB為螺紋齒高，mm；d1為管體內(nèi)徑，mm。

1.3 特殊螺紋密封性能計(jì)算

對于金屬-金屬密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，保證接頭的密封可靠性非常重要。兩種油管特殊螺紋接頭的主密封面和扭矩臺肩為錐面對錐面的金屬密封結(jié)構(gòu)。密封接觸能機(jī)理提出了密封接觸強(qiáng)度，用來表示金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)的流動阻力，大小為密封接觸應(yīng)力在有效密封長度上的積分值。為了定性分析比較兩種特殊螺紋接頭的氣體密封能力，采用Murtagia等學(xué)者提出的金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)密封性能評價方法進(jìn)行評價。密封性能指數(shù)Wa定義[11]為

(6)

式(6)中：Wa為密封性能指數(shù)，mm·MPa1.4；Les為有效密封接觸總長度，mm;P為接觸應(yīng)力，MPa。

特殊螺紋接頭臨界密封指數(shù)Wac[12]為

Wac=103.6(Pg/Pa)0.838

(7)

式(7)中：Wac為臨界密封指數(shù)，mm·MPa1.4；Pg為密封氣體壓力，MPa；Pa為大氣壓強(qiáng)，MPa。

逆推得螺紋氣體密封能力計(jì)算公式為

(8)

螺紋密封區(qū)域劃分如圖2所示，A點(diǎn)為臺肩處起始點(diǎn)，B點(diǎn)為密封面，C點(diǎn)為螺紋中部，D點(diǎn)為接箍頂端。Lt為全螺紋(AD段)有效密封接觸總長度；Lth為半螺紋(AC段)有效密封接觸長度；Ltj為臺肩和密封面處(AB段)有效密封接觸長度。計(jì)算出螺紋各個區(qū)域密封能力即全螺紋氣體密封能力Pt、半螺紋氣體密封能力Pth以及臺肩處氣體密封能力Ptj。

圖2 螺紋氣體密封區(qū)域劃分圖Fig.2 Thread gas seal area division diagram

為保證螺紋安全使用，考慮加工誤差、變載荷等其他條件對螺紋密封性能的影響[13-14]，定義復(fù)雜因素下防泄漏安全系數(shù)Qse(Qse>1時，代表滿足密封要求)為

(9)

結(jié)合安全系數(shù)Qse，更加全面對比分析兩種特殊螺紋接頭氣體密封性能，為實(shí)際生產(chǎn)中油管特殊螺紋的選用提供參考依據(jù)。

2 有限元模型建立

利用ABAQUS建立A型和B型兩個P110特殊螺紋接頭二維軸對稱有限元模型，模型由管體外螺紋和接箍內(nèi)螺紋兩部分組成，如圖3所示。模型材料參數(shù)如表2所示。

圖3 油管特殊螺紋接頭有限元模型Fig.3 Finite element model of special threaded joint of oil pipe

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

考慮到邊界效應(yīng)的影響，適當(dāng)延長管體長度，并對臺肩處的接觸面以及牙扣嚙合面的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，保證計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。接觸面屬性為面與面接觸，摩擦因子為0.1。根據(jù)管柱力學(xué)中，油管實(shí)際受力情況，對接箍下端面施加軸向位移約束，管體上端面施加軸向載荷，管體內(nèi)部施加內(nèi)壓。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 油管螺紋接頭連接強(qiáng)度對比分析

3.1.1 上扣扭矩作用下

通過在螺紋臺肩及牙扣處設(shè)置一定過盈量，使油管特殊螺紋接頭扭矩達(dá)到抗扭強(qiáng)度的60%，此時上扣扭矩為5 000 N·m。螺紋接頭應(yīng)力分布云圖如圖4所示，對兩種螺紋接頭的連接強(qiáng)度進(jìn)行對比分析。

圖4 最佳上扣時接頭等效應(yīng)力分布云圖Fig.4 Cloud diagram of Mises stress distribution of joint during optimal fastening

A型螺紋接頭最大應(yīng)力為871 MPa，位于外螺紋第17扣承載面處；B型螺紋接頭最大應(yīng)力為813 MPa，位于外螺紋第17扣承載面處。B型螺紋接頭最大應(yīng)力比A型螺紋接頭最大應(yīng)力降低約6.7%。上扣后，B型螺紋接頭更能滿足使用要求。

3.1.2 拉伸載荷作用下

在井下套管作業(yè)時，套管受自重或者上提作業(yè)的拉伸載荷，取拉伸載荷F=1 200 kN，對螺紋接頭進(jìn)行有限元計(jì)算，對比分析兩種螺紋接頭在相同拉伸載荷下的連接強(qiáng)度。

螺紋接頭應(yīng)力分布云圖如圖5所示?？梢钥闯?，兩種螺紋接頭應(yīng)力變化趨勢相近，分布較為均勻，螺紋整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生失效，在部分螺紋接觸面發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，是螺紋最早發(fā)生失效的部位。在拉伸載荷1 200 kN作用下，A型螺紋接頭最大應(yīng)力為909 MPa，位于外螺紋第3扣承載面處；B型螺紋接頭最大應(yīng)力為925 MPa，位于外螺紋前三扣處，兩種螺紋接頭最大應(yīng)力均超過材料屈服強(qiáng)度，發(fā)生塑性變形。

圖5 拉伸載荷下接頭等效應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud diagram of Mises stress distribution of joint under tensile load

通過式(3)、式(4)計(jì)算得到螺紋接頭抗拉強(qiáng)度為1 340 kN，拉伸載荷為1 200 kN時，螺紋沒達(dá)到抗拉強(qiáng)度，不會發(fā)生失效，這與有限元結(jié)果一致。

3.1.3 壓縮載荷作用下

油管在進(jìn)行作業(yè)時，會受到擠壓作用，對螺紋接頭施加壓縮載荷F=1 200 kN，對比分析兩種螺紋接頭在相同壓縮載荷下的連接強(qiáng)度。

螺紋接頭應(yīng)力分布云圖如圖6所示?？梢钥闯觯瑑煞N螺紋接頭應(yīng)力變化趨勢相近，整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生失效，但應(yīng)力分布不均勻，螺紋前3～4扣的應(yīng)力較大，中間部分應(yīng)力較小，扭矩臺肩與密封面過渡區(qū)域應(yīng)力較大，并且出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最可能發(fā)生失效。在相同的壓縮載荷1 200 kN作用下，A型螺紋接頭最大應(yīng)力為921 MPa，位于外螺紋第2扣導(dǎo)向面處；B型螺紋接頭最大應(yīng)力為919 MPa，位于外螺紋第2扣導(dǎo)向面處，兩種螺紋接頭最大應(yīng)力均超過材料屈服強(qiáng)度，發(fā)生塑性變形。

圖6 壓縮載荷下接頭等效應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of Mises stress distribution of joint under compressive load

通過式(5)計(jì)算得到螺紋接頭抗壓強(qiáng)度為1 057 kN，壓縮載荷為1 200 kN時，螺紋會發(fā)生屈服，并且由于臺肩處有預(yù)緊力的存在降低了該處的抗壓強(qiáng)度，使得臺肩面更易發(fā)生塑性貫通失效，分析結(jié)果與有限元結(jié)果一致。

為進(jìn)—步了解油管螺紋接頭臺肩處在壓縮載荷作用下的塑性變形情況，取兩種油管螺紋接頭的應(yīng)變分布云圖，如圖7所示?？梢钥闯觯捎趬嚎s載荷主要由臺肩承受，二者臺肩與密封面過渡處均發(fā)生塑性變形，A型螺紋接頭臺肩處塑性變形更大，更易發(fā)生塑性貫通，導(dǎo)致螺紋失效。適當(dāng)塑性變形保證了臺肩處有良好的密封性，但過大的塑性變形可能使臺肩處密封性能下降。

圖7 壓縮載荷下接頭臺肩處應(yīng)變分布云圖Fig.7 Cloud diagram of strain distribution at joint shoulder under compressive load

3.2 油管螺紋接頭密封性能對比分析

螺紋完成上扣后，具有—定的密封能力，但井下各種載荷和工作環(huán)境會影響螺紋密封面接觸應(yīng)力分布，導(dǎo)致螺紋密封性能發(fā)生改變。為對比兩種特殊螺紋接頭在不同工況下的密封性能，分別對模型施加內(nèi)壓和軸向載荷。

兩種油管特殊螺紋接頭全螺紋氣密封能力曲線如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，隨著內(nèi)壓與軸向載荷的增加，螺紋接頭密封能力增強(qiáng)，兩種螺紋接頭全螺紋氣體密封能力均大于臨界密封壓力，滿足使用要求。計(jì)算結(jié)果表明，在內(nèi)壓小于25 MPa時，A型螺紋接頭的密封能力大于B型螺紋接頭，如內(nèi)壓25 MPa+壓縮載荷1 200 kN時，A型螺紋接頭密封能力為525 MPa，B型螺紋接頭密封能力為403 MPa，較A型螺紋接頭密封能力低約23%。在內(nèi)壓高于50 MPa時，B型螺紋接頭的密封能力大于A型螺紋接頭，如內(nèi)壓75 MPa+壓縮載荷900 kN時，A型螺紋接頭密封能力為450 MPa，B型螺紋接頭密封能力530 MPa，較A型螺紋接頭密封能力高約15%。內(nèi)壓較小時，A型螺紋接頭密封能力更強(qiáng)。內(nèi)壓較大的工況下，隨著軸向載荷增加，B型螺紋接頭密封能力比A型螺紋接頭增加得更快，B型螺紋接頭在實(shí)際生產(chǎn)過程中更安全可靠。

圖8 拉伸載荷下接頭全螺紋氣密封能力曲線Fig.8 Full thread gas sealing capacity curve of joint under tensile load

圖9 壓縮載荷下接頭全螺紋氣密封能力曲線Fig.9 Full thread gas sealing capacity curve of joint under compression load

進(jìn)—步分析不同工況下，兩種油管特殊螺紋接頭密封性能。

3.2.1 單內(nèi)壓作用下

單內(nèi)壓作用下，兩種螺紋接頭各部分當(dāng)量密封能力曲線如圖10所示。由圖10(a)全螺紋密封能力曲線圖可知，隨著內(nèi)壓增加，B型螺紋接頭全螺紋密封能力大于A型螺紋接頭。內(nèi)壓為100 MPa時，B型螺紋接頭全螺紋密封能力為226 MPa，A型螺紋接頭全螺紋密封能力為141 MPa，B型螺紋接頭較A型螺紋接頭密封能力高約60%。由圖10(b)半螺紋密封能力曲線圖可知，B型螺紋接頭未發(fā)生泄漏，A型螺紋接頭在內(nèi)壓為100 MPa時，發(fā)生泄漏。由圖10(c)臺肩處螺紋密封能力曲線圖可知，內(nèi)壓大于25 MPa時，臺肩與密封面處二者都發(fā)生泄漏。這表明盡管螺紋整體密封能力滿足使用要求，但螺紋仍可能會發(fā)生泄漏，為保證使用安全，應(yīng)全面考慮螺紋各部分密封性能，防止螺紋發(fā)生密封失效。

圖10 單內(nèi)壓作用下螺紋各部分密封能力曲線Fig.10 Sealing capacity curve of each part of thread under single internal pressure

3.2.2 內(nèi)壓+軸向拉伸載荷600 kN作用下

軸向拉伸載荷600 kN作用下，兩種螺紋接頭各部分當(dāng)量密封能力曲線如圖11所示。由圖11(a)全螺紋密封能力曲線圖可知， B型螺紋接頭全螺紋密封能力大于A型螺紋接頭，隨著內(nèi)壓增加，差距越來越大。內(nèi)壓為100 MPa時，B型螺紋接頭全螺紋密封能力為293 MPa，A型螺紋接頭全螺紋密封能力為197 MPa，B型螺紋接頭較A型螺紋接頭密封能力高約49%。由圖11(b)半螺紋密封能力曲線圖可知，B型螺紋接頭未發(fā)生泄漏，內(nèi)壓大于75 MPa后，A型螺紋接頭開始發(fā)生泄漏。由圖11(c)臺肩處螺紋密封能力曲線圖可知，二者的臺肩與密封面處全部發(fā)生泄漏，這是由于軸向拉伸會導(dǎo)致密封面和臺肩處最大接觸應(yīng)力大大降低。

圖11 軸向拉伸作用下螺紋各部分當(dāng)量密封能力曲線Fig.11 Equivalent sealing capacity curve of each part of thread under axial tension

3.2.3 內(nèi)壓+軸向壓縮載荷600 kN作用下

軸向壓縮載荷600 kN作用下，兩種螺紋接頭各部分當(dāng)量密封能力曲線如圖12所示。由圖12(a)全螺紋密封能力曲線圖可知，上扣后B型螺紋接頭密封能力大于A型螺紋接頭，但隨著內(nèi)壓增加，B型螺紋接頭密封能力比A型螺紋接頭增加得更快，內(nèi)壓為25 MPa時，A型螺紋接頭密封能力大于B型。內(nèi)壓為100 MPa時，B型螺紋接頭全螺紋密封能力為460 MPa，A型螺紋接頭全螺紋密封能力為346 MPa，B型螺紋接頭較A型螺紋接頭密封能力高約33%。由圖12(b)半螺紋密封能力曲線圖可知，半螺紋處都未發(fā)生泄漏。由圖12(c)臺肩處螺紋密封能力曲線圖可知，壓縮載荷下二者臺肩處密封能力基本相同，內(nèi)壓大于50 MPa后，臺肩與密封面處開始發(fā)生泄漏。

圖12 軸向壓縮作用下螺紋各部分當(dāng)量密封能力曲線Fig.12 Equivalent sealing capacity curve of each part of thread under axial compression

單內(nèi)壓作用下螺紋接頭全螺紋防漏安全系數(shù)曲線如圖13所示?？梢钥闯?，兩種接頭全螺紋防漏安全系數(shù)均大于1，隨著內(nèi)壓增加，兩種接頭安全系數(shù)逐漸減小，B型接頭全螺紋安全系數(shù)大于A型接頭，密封性能更好。

圖13 單內(nèi)壓作用下全螺紋防漏安全系數(shù)曲線Fig.13 Safety factor curve of full thread leakage prevention under single internal pressure

綜合分析結(jié)果可以看出，A型螺紋接頭密封面錐度過大，導(dǎo)致壓縮載荷下出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了臺肩和密封面處的密封性能。通過優(yōu)化螺紋參數(shù)以及臺肩處和密封面的結(jié)構(gòu)能提高螺紋的使用性能，同時合適的上扣扭矩保證了螺紋接頭具有足夠大的連接強(qiáng)度和最好的密封能力。

4 結(jié) 論

(1)對螺紋接頭的連接強(qiáng)度和不同部位的密封性能進(jìn)行了全面的分析和評價，形成了特殊螺紋接頭優(yōu)選技術(shù)。選擇符合作業(yè)技術(shù)需求的螺紋接頭，有利于安全高效生產(chǎn)。

(2)壓縮載荷下，螺紋接頭臺肩部位容易出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最可能發(fā)生失效。螺紋接頭整體滿足密封要求，但密封面與臺肩部位易發(fā)生泄漏。

(3)結(jié)果表明，螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)影響了接頭性能，B型螺紋接頭連接性能和密封能力更好，在實(shí)際生產(chǎn)中更加安全可靠。