不同外載作用下特殊螺紋油管接頭應(yīng)力有限元分析

曹銀萍，張福祥，楊向同，于 洋

（1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065；2.中國石油塔里木油田分公司，庫爾勒 841000）

0 引言

隨著深井、超深井、高溫高壓氣井、熱采井以及含有H2S和CO2腐蝕介質(zhì)井等高難度井的開發(fā)，按照API(美國石油學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)制造的接頭由于其連接強(qiáng)度不高和氣密封性能差等原因已不能滿足石油工業(yè)的要求[1,2]。因此，具有良好連接和密封性能的特殊螺紋油套管得到了廣泛的應(yīng)用。為確保足夠的連接強(qiáng)度，聯(lián)接入井的特殊螺紋接頭密封面、扭矩臺(tái)肩處的密封副必須保持合理的應(yīng)力水平。由于特殊螺紋接頭幾何結(jié)構(gòu)及外載作用下應(yīng)力分布的復(fù)雜性，無法用解析法進(jìn)行接頭應(yīng)力分析，文中借助ANSYS有限元軟件，以某88.9mm×6.45mm P110特殊螺紋油管接頭為例，分析了上扣扭矩、內(nèi)壓、軸向力及復(fù)合載荷等不同載荷作用下密封面、扭矩臺(tái)肩及連接螺紋的應(yīng)力分布規(guī)律。

1 特殊螺紋油管接頭有限元模型及工況

本文分析的某特殊螺紋油管接頭如圖1所示。該接頭采用主密封面與臺(tái)肩雙重金屬密封形式，螺紋采用連接強(qiáng)度較高的偏梯形螺紋，其密封形式與主要參數(shù)分別見表1、表2。

表1 特殊螺紋接頭密封形式

表2 特殊螺紋接頭主要參數(shù)

建模過程中采用如下假設(shè)：為消除邊界效應(yīng)，模型油管長度應(yīng)大于管端至螺紋消失點(diǎn)距離的2倍以上[3]；而接箍沿軸向取其長度的一半；考慮到接頭與油管關(guān)于中心軸對(duì)稱，采用軸對(duì)稱力學(xué)模型；忽略螺紋螺旋升角的影響；假設(shè)接頭和油管材料為各向同性的強(qiáng)化材料。

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)圖

考慮到簡化模型的軸對(duì)稱性和材料的塑性強(qiáng)化，采用具有軸對(duì)稱功能的PLANE82單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；油管接頭螺紋的接觸是典型的面-面接觸，用TARGE169和CONTA172接觸單元生成面-面接觸對(duì)，接觸表面間的摩擦為滑動(dòng)庫侖摩擦，摩擦系數(shù)0.02。設(shè)接箍中面的軸向位移為零，采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算等效應(yīng)力。

根據(jù)管柱力學(xué)分析[4]，油管接頭在井下受力情況復(fù)雜，上部油管承受軸向拉伸，下部承受軸向壓力，同時(shí)整個(gè)管柱承受管內(nèi)流體的高壓作用，因此，采用表1所示的載荷組合模擬真實(shí)工作中油管接頭的載荷工況。將表3所示載荷工況作用在特殊螺紋接頭有限元分析模型上，即可得到油管接頭應(yīng)力分布情況。

表3 某特殊螺紋接頭加載工況

2 上扣時(shí)接頭應(yīng)力分析

由特殊螺紋油管接頭等效應(yīng)力分布云圖（見圖2）可知，最大等效應(yīng)力位于主密封面處，而扭矩臺(tái)肩處稍小。可以看出，主密封面與扭矩臺(tái)肩處均有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明扭矩臺(tái)肩主要承擔(dān)了上扣扭矩產(chǎn)生的軸向力，起到了過扭保護(hù)作用，而連接螺紋所受的應(yīng)力較小，提高了接頭的連接強(qiáng)度；除靠近主密封面的前3牙螺紋根部應(yīng)力較大外，其余螺紋應(yīng)力值較小且分布較均勻，因此，接頭螺紋應(yīng)力分布理想，保證了良好的連接性能。

圖2 上扣時(shí)某特殊螺紋油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

3 軸向力作用時(shí)接頭應(yīng)力分析

圖3 不同軸向拉力下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

圖3為不同軸向拉力作用下接頭等效應(yīng)力分布云圖，隨著軸向拉力的增大，密封面及扭矩臺(tái)肩處應(yīng)力數(shù)值及分布變化不大，而接頭兩端嚙合螺紋及管體應(yīng)力增大，說明在一定范圍內(nèi)軸向拉力對(duì)接頭密封性能影響不大，不過，若軸向拉力過大，部分嚙合螺紋應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，可能產(chǎn)生粘扣甚至發(fā)生局部失效。

圖4為不同軸向壓力作用下接頭等效應(yīng)力分布云圖，可以看到，密封部位及靠近密封面處前2扣嚙合螺紋應(yīng)力較大；隨著軸向壓力的增大，最大等效應(yīng)力由密封面逐漸向扭矩臺(tái)肩處轉(zhuǎn)移，扭矩臺(tái)肩分擔(dān)部分軸向壓力，可提高接頭的抗壓縮性能。

圖4 不同軸向壓力下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

4 內(nèi)壓作用時(shí)接頭應(yīng)力分析

圖5為不同內(nèi)壓作用下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖，等效應(yīng)力隨內(nèi)壓的增加而增大，且最大值均出現(xiàn)在密封面處。雖然內(nèi)壓為40MPa時(shí)，密封面處最大等效應(yīng)力已超過管材的屈服極限，因該處為壓應(yīng)力，所以密封面仍能夠發(fā)揮密封作用；然而當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到120MPa時(shí)，管體等效應(yīng)力接近或超過管材的屈服極限，管體及接頭密封將因此而失效。

圖5 不同內(nèi)壓下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

圖6 80MPa內(nèi)壓與不同軸向拉力復(fù)合作用下油管接頭等效應(yīng)力分布圖

圖7 80MPa內(nèi)壓與不同軸向壓力作用下油管接頭等效應(yīng)力分布云圖

5 內(nèi)壓與軸向力復(fù)合作用時(shí)接頭應(yīng)力分析

圖6為內(nèi)壓與軸向拉力復(fù)合作用下接頭的等效應(yīng)力分布云圖，可以看出，隨著軸向拉力的增大，最大等效應(yīng)力點(diǎn)由密封面逐漸向大端螺紋處轉(zhuǎn)移——軸向拉力為200kN時(shí)最大等效應(yīng)力點(diǎn)在密封面處，而軸向拉力為400kN、600kN、800kN、1000kN時(shí)，最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在第1、2、9、10嚙合螺紋處。

圖7為內(nèi)壓與軸向壓力復(fù)合作用下等效應(yīng)力分布云圖，可以看出：軸向壓力增加，最大等效應(yīng)力均在密封面處，并且密封面處最大等效應(yīng)力變化不大。因此，說明在一定范圍內(nèi)，軸向壓力對(duì)該特殊

螺紋接頭密封面應(yīng)力值影響不大。

6 結(jié)束語

以某88.9mm×6.45mm P110特殊螺紋油管接頭為例，通過有限元應(yīng)力分析，得到了上扣扭矩、內(nèi)壓、軸向力及復(fù)合載荷等不同載荷作用下密封面、扭矩臺(tái)肩及連接螺紋的應(yīng)力分布規(guī)律，分析表明：內(nèi)壓與軸向拉力復(fù)合作用時(shí)，隨著軸向拉力的增大，最大等效應(yīng)力點(diǎn)由密封面逐漸向大端螺紋處轉(zhuǎn)移；在復(fù)合載荷作用下，該特殊螺紋接頭兩端仍有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在應(yīng)力不均問題，

應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)螺紋參數(shù)。

[1] 呂拴錄, 韓勇, 趙克楓, 等.特殊螺紋接頭油套管使用及展望[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2000, 16(3): 1-4.

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