螺紋牙形對特殊螺紋接頭彎曲性能的影響

李毅 孫宇 吳稀勇 （天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津 300301)

螺紋牙形對特殊螺紋接頭彎曲性能的影響

李毅 孫宇 吳稀勇 （天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津 300301)

為分析特殊螺紋接頭彎曲性能，采用有限元方法，對比正角度螺紋、負角度螺紋和齒側過盈螺紋3種牙形對特殊螺紋接頭密封面上密封性能的影響。有限元分析結果表明，負角度螺紋可以提高拉伸性能，而齒側過盈螺紋有利于提高壓縮性能。綜合來看，齒側過盈螺紋有利于彎曲性能。這些結果可為抗彎曲特殊螺紋接頭設計提供參考。

特殊螺紋 接頭 有限元分析 彎曲 拉伸 壓縮 性能

1 引言

特殊螺紋接頭的使用性能可通過全尺寸實物試驗評價得到和有限元方法進行分析預測。對特殊扣接頭性能大量的有限元分析工作，大都集中在軸對稱邊界和載荷方面，包括上扣、外壓、內壓、軸向拉伸或壓縮等。而對于非軸對稱載荷，比如特殊螺紋接頭的彎曲性能，目前的有限元分析工作很少[1-3]。但在具體油田應用中，特別是大位移井和定向井等，特殊螺紋扣接頭的彎曲性能是非常重要的性能參數。分析影響接頭彎曲性能的結構參數，可以為接頭的設計提供參考和指導。本文中，采用有限元模型分析了螺紋的牙形結構對特殊扣接頭彎曲性能的影響。在分析中施加相同彎曲載荷下，采用類似的金屬－金屬密封接頭對比了3種不同牙形下接頭的密封性能。

2 有限元模型的建立

本文采用有限元分析軟件Abaqus建模。接頭彎曲加載分析的難點在于：（1)單元的選擇。由于彎曲載荷是非軸對稱的，需要使用可加載非軸對稱載荷的CAXA單元。（2)接觸分析的建立。使用CAXA單元后不能定義基于單元的接觸面，因而也不能采用常規的接觸面計算，需要使用特殊的接觸單元和滑移線方法，具體方法是從單元數據中依次導出所有需要定義接觸面的節點數據，然后分別定義接觸單元和滑移線。（3)彎曲載荷的加載。根據彈塑性力學理論，可通過在表面加載的非均勻面載荷實現彎曲載荷，在Abaqus中這樣的載荷需通過DLOAD子程序完成。本文中選擇的單元為CAXA4N單元（其中N=1～4，對應于4種不同的Fourier模式)。大量的有限元計算說明，在此4種模式下分析結果一致，本文僅描述N=1下的分析結果。文中彎曲表示方法采用特殊螺紋接頭彎曲性能的表示方法，為**/30 m（其中**為角度)。整個分析過程為以下 4 步：（1) 上扣;（2)20°/30 m 彎曲;（3)30°/30 m 彎曲;（4)40°/30 m 彎曲。

主要分析不同彎曲載荷下其拉伸面和壓縮面的密封性能變化。具體的分析模型建立方法與接觸計算的驗證見文獻[4]～[5]。

在本文中分別采用密封面上的接觸應力與密封指數來描述特殊螺紋接頭的密封性能，重點分析不同彎曲載荷下密封性能的變化，以表征其彎曲性能。其中密封面上的接觸應力為接觸單元的S11輸出;密封指數定義為密封面上接觸應力對接觸長度的積分，其單位轉化為ksi*in，計算公式如下：

式中，σc為接觸應力，L為接觸長度。接觸應力反映了接觸面上對應點的應力大小;密封指數則綜合體現了接觸應力和接觸長度的效果。

選擇的尺寸規格為177.8 mm×10.36 mm，L80鋼級進行分析。TYPE1、TYPE2、TYPE3三種不同的牙形結構如圖1所示，其中TYPE1為正角度螺紋，TYPE2為負角度螺紋，TYPE3為齒側過盈螺紋。

圖1 不同牙形示意圖

3 有限元分析結果

3.1 TYPE1密封性能分析

見圖 2、圖 3。

從圖2、圖3可知，隨著彎曲角度的增加，拉伸面密封指數下降，而壓縮面密封指數上升，與文獻中結果吻合[5]。有限元分析表明，隨彎曲角度的增加，拉伸側上密封面接觸應力和接觸長度下降，而壓縮側密封面上則接觸應力和接觸長度均上升。

圖2 TYPE1拉伸側密封面上接觸應力

圖3 TYPE1不同彎曲角度下密封指數

3.2 TYPE2密封性能分析見圖4。

圖4 TYPE2不同彎曲角度下密封指數

由圖4可知，隨著彎曲角度的增加，拉伸側密封指數變化不明顯，而壓縮側密封指數上升。有限元分析表明隨彎曲角度增加，拉伸側密封面上的接觸應力與接觸長度變化不明顯，而壓縮側接觸應力和接觸長度均增加。

3.3 TYPE3密封性能分析

從圖5可知，隨著彎曲角度增加，拉伸側密封指數下降，而壓縮側密封指數上升。其趨勢與TYPE1的結果類似。有限元分析表明拉伸側密封面上接觸應力和接觸長度均下降，而壓縮側接觸應力和接觸長度上升。

圖5 TYPE3不同彎曲角度下密封指數

3.4 3種不同牙形的對比

以3種不同牙形的上扣態作參考，分別對比了彎曲40°/30 m后密封指數的相對變化，如表1所示。其結果表明，TYPE3扣型抗壓縮性能相對好，說明齒側間隙過盈螺紋能夠明顯提高接頭的抗拉伸性能;而TYPE2抗拉伸性能相對好，說明負角度螺紋能夠明顯提高接頭的抗拉伸性能。

表1 不同牙形彎曲40°/30 m后密封指數的相對變化

4 結論

（1)由于彎曲是拉伸和壓縮共同作用的結果，計算和實物試驗都表明3種牙形的拉伸效率都可以達到管體的100%，因而影響彎曲的主要是抗壓縮性能。從有限元分析結果看，相同彎曲條件下TYPE3壓縮面密封指數變化最小，抗壓縮性能相對好，抗彎曲性能相對較好。即齒側過盈配合更有利于提高特殊螺紋接頭的壓縮和彎曲性能。

（2)分析結果可為特殊螺紋設計提供參考，也表明有限元方法可為特殊螺紋接頭的設計、彎曲及其他性能的預測提供依據，可在一定程度上減小實物試驗數量，節省時間和成本，提高產品研發效率。

[1]楊智春，李斌，史交齊.特殊螺紋套管接頭的應力及密封特征分析[J].機械科學與技術，2004，23（7):771-774.

[2]Yuan Guangjie，Yao Zhenqiang，Wang Qinghua，et al.Numerical and experimental distribution of temperature and stress fields in API round threaded connection[J].Engineering Failure Analysis，2006，13（8)：1 275-1 284.

[3]高連新，史交齊.油套管特殊螺紋接頭連接技術的研究現狀及展望[J].石油礦場機械，2008，37（2)：15-19.

[4]吳稀勇，閆龍，陳濤，等.彎曲載荷下特殊螺紋接頭密封性能的有限元分析[J].鋼管，2010，39（6)：70-73.

[5]Tafreshi A.SIF evaluation and stress analysis of drilling threaded joints[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，1999，76（1)：91-103.

Influence of Thread Profile on Bending Performance of Special Threaded Connector

Li Yi,Sun Yu,Wu Xiyong

In order to analyze the bending performance of special threaded connector,the authors,with infinite element method,compare the influence of positive angled thread,negative angled thread and teeth side over-fit thread on the sealing performance of special threaded connector sealing surface.Analysis results show that negative angled thread can increase tensile performance and teeth side over-fit thread facilitates the increase of compression performance.In an overall view,teeth side over-fit thread is beneficial to bending performance.These results can provide reference to the design of special anti-bending threaded connector.

special thread,connector,infinite element analysis,bending,tension,compression,performance

（收稿 2011－11－07 編輯 趙實鳴)

李毅，副高級工程師，主要從事油井無縫管材料開發、評價實驗設備的研制與實驗、特殊螺紋的開發工作，現任天津鋼管集團股份有限公司技術中心主任。