竇益華，強(qiáng) 楠，于 洋，曹銀萍

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著石油開(kāi)采技術(shù)的提升，開(kāi)采環(huán)境逐步轉(zhuǎn)向更大井深、更加高壓、溫度更高的復(fù)雜井況，特殊螺紋接頭目前得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-4]。區(qū)別于API標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭，特殊螺紋接頭有單獨(dú)的密封面和扭矩臺(tái)肩部分，起到了多重密封作用。而上扣是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，合理的上扣扭矩對(duì)特殊螺紋接頭性能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用，過(guò)大的扭矩或者過(guò)小的扭矩都會(huì)對(duì)特殊螺紋接頭的密封性產(chǎn)生影響。因此研究上扣扭矩的大小對(duì)提升特殊螺紋接頭密封性能的作用十分重要。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中大多基于特殊螺紋接頭二維模型，通過(guò)設(shè)置密封面、臺(tái)肩的過(guò)盈尺寸進(jìn)行最終上扣狀態(tài)的應(yīng)力分析，而很少見(jiàn)到針對(duì)整個(gè)上扣過(guò)程進(jìn)行的動(dòng)態(tài)分析[5-9]。因此本文建立三維接頭模型，考慮螺旋升角，應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件模擬特殊螺紋接頭整個(gè)上扣動(dòng)態(tài)過(guò)程，考慮在最大，最佳，最小扭矩作用下，分析了特殊螺紋油管接頭的密封性能。

1 特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)

特殊螺紋接頭在徑向方向采用金屬對(duì)金屬的主密封形式，密封結(jié)構(gòu)為錐面對(duì)錐面，錐面對(duì)球面，球面對(duì)球面等。除此之外，許多特殊螺紋接頭還包括一個(gè)扭矩臺(tái)肩的密封區(qū)域來(lái)輔助密封，臺(tái)肩能夠承受較大的軸向力，具有抗過(guò)扭的作用。于API螺紋相比，特殊螺紋在連接強(qiáng)度、連接性能、解決螺紋粘扣和抗應(yīng)力腐蝕等方面取得了很大的進(jìn)步，滿足了特殊采油工況的生產(chǎn)。

2 特殊螺紋接頭上扣扭矩曲線

上扣曲線是特殊螺紋接頭在上扣過(guò)程中的直觀反應(yīng)，需要有專門的扭矩控制。過(guò)大扭矩或過(guò)小扭矩直接影響接頭的密封性能，過(guò)大的扭矩可能使接頭臺(tái)肩、密封面和螺紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中情況，超過(guò)接頭材料的塑性應(yīng)變，導(dǎo)致發(fā)生塑性變形、粘扣的情況，過(guò)小的扭矩可能會(huì)使接箍和管體密封面位置處過(guò)盈量不足，產(chǎn)生較小的應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)不到密封的效果。

以寶鋼BGT2特殊螺紋接頭為例，上扣過(guò)程分為3個(gè)階段：內(nèi)外螺紋接觸、密封面接觸和臺(tái)肩部分接觸，如圖1所示。上扣扭矩為（0.9～1.1）TD均滿足上扣要求的條件，0.9TD為最小上扣扭矩，1.1TD為最大上扣扭矩，TD為實(shí)際上扣時(shí)最終上扣扭矩[9-10]。

圖1 BGT2特殊螺紋上扣曲線

3 特殊螺紋油管接頭有限元模型

3.1 結(jié)構(gòu)模型

本文用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件建立?88.9×6.45P110特殊螺紋油管接頭模型。特殊螺紋的牙型為偏梯形螺紋牙型，承載面角度3°，導(dǎo)向面角度10°，螺紋錐度1∶16，每英寸為5牙。密封面錐度為1∶5，臺(tái)肩為15°。臺(tái)肩為輔助密封部分，起到了抗過(guò)扭矩的能力。

3.2 材料模型

材料屈服強(qiáng)度為758 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，摩擦因數(shù)為0.124。網(wǎng)格劃分如圖2所示，模型網(wǎng)格的劃分采用結(jié)構(gòu)拆分，局部細(xì)化的方法，對(duì)該接頭的密封面，臺(tái)肩和螺紋部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，使結(jié)果分析更加接近真實(shí)數(shù)據(jù)。采用8節(jié)點(diǎn)C3D8R單元，單元為六面體單元。接頭彈塑性屈服準(zhǔn)則依據(jù)VonMises屈服準(zhǔn)則，即第四強(qiáng)度理論[11-12]。

圖2 接頭網(wǎng)格劃分

3.3 特殊螺紋油管接頭扭矩分析

本文所采用的特殊螺紋油管接頭最大扭矩4 900 N·m，最佳扭矩4 090 N·m，最小扭矩3 690 N·m。

如圖3所示，最大上扣扭矩下接頭的等效應(yīng)力為758 MPa，由圖可以看出等效應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在管體臺(tái)肩處，等效應(yīng)力數(shù)值等于材料的屈服強(qiáng)度758 MPa，臺(tái)肩處未發(fā)生塑性變形，管體臺(tái)肩處實(shí)現(xiàn)接頭的輔助密封作用；當(dāng)接頭采用最大上扣扭矩上扣時(shí)，靠近密封面處的管體外螺紋等效應(yīng)力較大，中部螺紋應(yīng)力分布較為均勻，接頭螺紋最大等效應(yīng)力228 MPa，出現(xiàn)在靠近密封面的第一圈螺紋，螺紋未發(fā)生塑性變形，螺紋起到了良好的密封作用。

圖3 最大上扣扭矩下接頭等效應(yīng)力云圖（MPa）

如圖4所示，接頭在最大上扣扭矩?cái)Q緊時(shí)，臺(tái)肩環(huán)處的最大接觸應(yīng)力為213.6 MPa，最小接觸應(yīng)力為105.6 MPa，臺(tái)肩環(huán)部分的接觸應(yīng)力分布較均勻，且都未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，臺(tái)肩處能夠?qū)崿F(xiàn)接頭的輔助密封作用。管體密封面環(huán)部分與臺(tái)肩環(huán)部分之間存在狹小縫隙，忽略縫隙影響，密封面處最大接觸應(yīng)力為555.4 MPa，受力且分布較為均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)良好密封。

圖4 最大上扣扭矩下臺(tái)肩環(huán)與密封面環(huán)接觸應(yīng)力云圖（MPa）

如圖5所示，最佳上扣扭矩下接頭最大的等效應(yīng)力為743.6 MPa，應(yīng)力集中在管體臺(tái)肩處，接頭未發(fā)生塑性變形；從分析結(jié)果得出最佳上扣扭矩?cái)Q緊狀態(tài)下，接頭螺紋最大的等效應(yīng)力為475 MPa，且靠近密封面處螺紋等效應(yīng)力分布不均勻，靠近密封面處的螺紋等效應(yīng)力大于中部螺紋等效應(yīng)力，最大等效應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度758 MPa，因此接頭螺紋處未發(fā)生塑性變形，接頭結(jié)構(gòu)完整。

圖5 最佳上扣扭矩下接頭等效應(yīng)力云圖（MPa）

如圖6所示，接頭在最佳上扣扭矩?cái)Q緊下，接觸應(yīng)力集中在管體臺(tái)肩處，最大接觸應(yīng)力為222.3.3 MPa，臺(tái)肩環(huán)部區(qū)域接觸應(yīng)力分布均勻，臺(tái)肩起到了良好的接頭輔助密封作用。此外，接頭密封面環(huán)部區(qū)域最大接觸應(yīng)力為550.3 MPa，密封面處沒(méi)有出現(xiàn)較大接觸應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力分布均勻。在最佳上扣扭矩下管體臺(tái)肩和密封面處均小于材料屈服強(qiáng)度，接頭架構(gòu)完整，未發(fā)生塑性變形的情況，能夠起到接頭密封的作用。

圖6 最佳上扣扭矩下臺(tái)肩環(huán)與密封面環(huán)接觸應(yīng)力云圖（MPa）

如圖7所示，最小上扣扭矩下接頭最大等效應(yīng)力為739.0 MPa，應(yīng)力集中出現(xiàn)在管體臺(tái)肩環(huán)形帶處，小于材料屈服強(qiáng)度758 MPa，未發(fā)生塑性變形；從分析結(jié)果得出接頭螺紋處最大的等效應(yīng)力為283 MPa，出現(xiàn)在靠近密封面第一圈螺紋，螺紋主要起到了連接作用，因此螺紋等效應(yīng)力小于密封面和臺(tái)肩處的等效應(yīng)力。

圖7 最小上扣扭矩下臺(tái)肩與密封面處接觸應(yīng)力云圖（MPa）

如圖8所示，最小上扣扭矩下接頭臺(tái)肩處的最大接觸應(yīng)力為222.4 MPa，臺(tái)肩處應(yīng)力分布均勻，起到了良好的輔助密封作用且都未超過(guò)材料屈服強(qiáng)度。密封面處的最大接觸應(yīng)力為555.3 MPa，且均大于管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)良好密封。

圖8 最小上扣扭矩下臺(tái)肩環(huán)與密封面環(huán)接觸應(yīng)力云圖（MPa）

如圖9所示，接頭擰緊以后，隨著上扣扭矩的增大，油管與接箍的等效應(yīng)力呈平緩遞增趨勢(shì)。油管的臺(tái)肩和密封面相對(duì)管體處的等效應(yīng)力值較大。

圖9 特殊螺紋接頭在最大、最佳、最小扭矩下接頭等效應(yīng)力云圖

如圖10所示為特殊螺紋油管接頭在3種不同上扣扭矩的密封面和臺(tái)肩處的接觸壓力圖。由圖可以看出在進(jìn)行不同上扣扭矩作用時(shí)，接頭整體應(yīng)力值都低于接頭材料的屈服極限數(shù)值，且并未發(fā)生塑性應(yīng)變。接頭在最大扭矩密封面處接觸應(yīng)力數(shù)值波動(dòng)大小最大，其次是最小上扣扭矩，最后是最小上扣扭矩。最小上扣扭矩?cái)Q緊下，接頭密封面處、臺(tái)肩處接觸壓力數(shù)值變化趨勢(shì)最為穩(wěn)定，接觸壓力適中，接頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是為推薦的理想上扣扭矩值。在3種上扣扭矩?cái)Q緊下，在最大上扣扭矩時(shí)，臺(tái)肩處接觸壓力最大，其次是最佳上扣扭矩，最小上扣扭矩最小。因此最佳上扣扭矩完全擰緊時(shí)，該特殊螺紋油管接頭具有更好的密封性與連接強(qiáng)度。

圖10 最大、最佳、最小上扣扭矩下接頭密封面和臺(tái)肩接觸壓力環(huán)形圖

3.4 最大、最佳、最小上扣扭矩下特殊螺紋接頭應(yīng)力對(duì)比分析

如表1所示，特殊螺紋接頭在最大、最佳、最小扭矩下特殊螺紋接頭的Mises應(yīng)力數(shù)值呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，相差數(shù)值都不大。密封面和臺(tái)肩處的接觸壓力整體較為均勻，且都沒(méi)有超過(guò)管體的屈服強(qiáng)度。從最小到最大扭矩時(shí)，密封面和臺(tái)肩處的接觸壓力變化趨于平緩，相比較來(lái)說(shuō)，最佳上扣扭矩?cái)Q緊時(shí)，且接頭等效應(yīng)力比實(shí)際上扣增長(zhǎng)1.8%，密封面接觸壓力增長(zhǎng)1.9%，臺(tái)肩處接觸壓力增長(zhǎng)1.5%，接頭處臺(tái)肩和密封面處接觸壓力數(shù)值大小適中，更好地避免了接頭較大應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致的接頭塑性應(yīng)變的現(xiàn)象，從而提升接頭密封性，更好地保證了接頭的完整性。

表1 三種扭矩下特殊螺紋接頭等效應(yīng)力分析

4 不同錐度下特殊螺紋接頭應(yīng)力分析

如表2所示，當(dāng)上扣圈數(shù)一定時(shí)，隨著密封面錐度的增加，特殊螺紋接頭Mises應(yīng)力逐漸增加，密封面上的接觸壓力也逐漸增大，且增大的速度越來(lái)越大，這表明增大錐面錐度可顯著提高密封性能。隨著錐面錐度的增加，臺(tái)肩處接觸壓力逐漸增大，當(dāng)錐度過(guò)大時(shí)，密封面處和臺(tái)肩處容易出現(xiàn)局部接觸，接觸壓力容易發(fā)生較大變化，超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度758 MPa，從而影響密封性能，因此密封面錐度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可顯著提高接頭密封性。

表2 不同錐度下特殊螺紋接頭應(yīng)力分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了在最大扭矩、最佳扭矩、最小扭矩3種不同上扣扭矩下接頭螺紋、臺(tái)肩和密封面處的等效應(yīng)力和接觸壓力。從以上分析可以得出如下結(jié)論。

（1）該模型能夠模擬現(xiàn)實(shí)生活中特殊螺紋接頭動(dòng)態(tài)上扣過(guò)程。

（2）3種不同上扣扭矩上扣后，特殊螺紋接頭密封面接觸壓力都大于管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度，3種扭矩都能實(shí)現(xiàn)接頭密封的作用。

（3）相較于最小和最大上扣扭矩，最佳上扣扭矩?cái)Q緊狀態(tài)下密封面、臺(tái)肩、螺紋處的等效應(yīng)力大小適中，接頭整體等效應(yīng)力比實(shí)際上扣增長(zhǎng)1.8%，密封面接觸壓力增長(zhǎng)1.9%，臺(tái)肩處接觸壓力增長(zhǎng)1.5%，且等效應(yīng)力分布較為均勻，這樣很好地避免了應(yīng)力過(guò)大而引起的塑性變形。

（4）最佳上扣扭矩?cái)Q緊下，密封面錐度的增大，可顯著提高特殊螺紋接頭的密封性能。過(guò)大的錐度導(dǎo)致接頭臺(tái)肩和密封面容易發(fā)生接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而接觸壓力過(guò)大，進(jìn)而影響接頭密封性。