隔水導(dǎo)管螺紋接頭連接性能研究

溫紀(jì)宏，陳國(guó)明，暢元江，劉秀全

（中國(guó)石油大學(xué) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島266580）①

海上平臺(tái)鉆井用隔水導(dǎo)管接頭作為隔水導(dǎo)管系統(tǒng)最重要的部件之一，在極端作業(yè)條件下需要具備足夠的強(qiáng)度，能夠承受海水波浪的撞擊力，同時(shí)又能使隔水單根相互快速拆卸及連接。隔水導(dǎo)管快速接頭在保證連接強(qiáng)度的同時(shí)能夠有效降低隔水套管連接時(shí)間和起下作業(yè)時(shí)間，減少鉆井成本。

目前，國(guó)外淺水鉆井隔水導(dǎo)管使用螺紋快速接頭，生產(chǎn)隔水導(dǎo)管螺紋接頭的公司主要有Dril－Quip、Oil States、Vetco－Gray和 Grant Prideco公司。R.Shilling與 M.L.Payne［1］通過(guò)疲勞導(dǎo)向設(shè)計(jì)，使螺紋接頭在鉆井、生產(chǎn)隔水導(dǎo)管中得到了更廣泛的 應(yīng) 用；J.Pollack 與 D.C.Riggs［2］對(duì) 適 用 于SCRs、海底管線的螺紋接頭進(jìn)行極限載荷（拉伸載荷，彎曲載荷）測(cè)試。國(guó)內(nèi)目前對(duì)套管螺紋接頭研究較多，高連新［3］對(duì)圓螺紋套管接頭使用工況下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究；習(xí)俊通［4］通過(guò)編制有限元分析程序，對(duì)不同載荷條件下螺牙載荷分布進(jìn)行了分析研究；何牛仔［5］對(duì)熱采井套管螺紋進(jìn)行了有限元分析。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外主要關(guān)注于深水鉆井隔水導(dǎo)管快速接頭的研究，對(duì)淺水隔水導(dǎo)管快速接頭的研究較少。本文利用ABAQUS軟件，對(duì)不同形狀螺紋的隔水導(dǎo)管螺紋接頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，并針對(duì)接頭螺紋的應(yīng)力分布進(jìn)行了優(yōu)化，從而為隔水導(dǎo)管螺紋接頭的合理設(shè)計(jì)提供參考。

1 隔水導(dǎo)管螺紋接頭的優(yōu)點(diǎn)

隔水導(dǎo)管接頭是隔水導(dǎo)管系統(tǒng)最重要的部件之一，主要分為爪型、螺栓－法蘭型、螺紋型和鋏鉗型［6］。Dril－Quip公司生產(chǎn)的隔水導(dǎo)管螺紋接頭產(chǎn)品如圖1所示，其所承受的外部載荷通過(guò)母接頭和公接頭旋合的內(nèi)、外螺紋傳遞。

圖1 Dril－Quip公司隔水導(dǎo)管螺紋快速接頭

隔水導(dǎo)管螺紋接頭的優(yōu)點(diǎn)是：易對(duì)接，易焊接，采用金屬對(duì)金屬自定位、連接快速，可重復(fù)利用，技術(shù)成熟，目前在國(guó)外已經(jīng)擁有大量的現(xiàn)場(chǎng)使用案例。

2 模型建立

與應(yīng)用在石油化工設(shè)備中的接頭相比，隔水導(dǎo)管接頭的幾何尺寸更大，并且應(yīng)用于海洋環(huán)境，受力情況更復(fù)雜，對(duì)于隔水導(dǎo)管螺紋接頭，連接強(qiáng)度分析是一個(gè)綜合幾何非線性和邊界非線性的彈塑性接觸問(wèn)題，而ABAQUS是進(jìn)行有限元分析的有效工具，可對(duì)結(jié)構(gòu)、載荷與邊界條件進(jìn)行模擬分析，同時(shí)考慮大變形、非線性等。因此，采用ABAQUS對(duì)不同齒形的隔水導(dǎo)管螺紋快速接頭進(jìn)行建模，求解。

2.1 有限元模型

隔水導(dǎo)管螺紋接頭建模基本參數(shù)為公接頭內(nèi)徑D1＝700mm，外徑D2＝804mm，壁厚d＝15.875 mm（0.625英寸），螺距P＝24mm。基于接頭強(qiáng)度高于本體強(qiáng)度的原則，隔水導(dǎo)管采用X52鋼，接頭材料采用 X80鋼，屈服強(qiáng)度為551.6MPa（8 000psi），彈性模量2.1×1011Pa，泊松比取0.3。隔水導(dǎo)管螺紋接頭由一組螺旋面構(gòu)成，內(nèi)、外螺紋面的接觸區(qū)域狹長(zhǎng)。根據(jù)螺紋接頭的結(jié)構(gòu)與受力特點(diǎn)做3個(gè)假設(shè)：

1） 由于螺紋螺旋升角很小，則不計(jì)其影響，將接頭視為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，按照軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型進(jìn)行建模。

2） 隔水導(dǎo)管螺紋接頭的材料為各向同性。

3） 忽略倒角與退刀槽的影響。

采用ABAQUS軟件按照軸對(duì)稱模型對(duì)圓弧螺紋、梯形螺紋和鋸齒螺紋3種標(biāo)準(zhǔn)螺紋隔水導(dǎo)管接頭進(jìn)行建模，使用CAX4單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭模型

2.2 載荷條件

式中：c為隔水管線的平均半徑；I為隔水管線的慣性力矩；A為隔水管線的截面；do為隔水管線的外徑；t為隔水管線的壁厚。

由式（1）可算得隔水導(dǎo)管等效張力為：TEQ＝3.927MN。接頭自重力和軸向張力以及彎矩相比很小，因此不予考慮。

由于校核的是接頭的連接強(qiáng)度，即在特定的載荷（彎矩和軸向拉力）工況下，要求接頭螺紋能承受足夠的拉力，使隔水導(dǎo)管單根能夠可靠連接。通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS對(duì)隔水導(dǎo)管系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，得到隔水導(dǎo)管軸向拉力為3.347MN，彎矩值為0.103 73MN·m。通常將接頭載荷條件可以看作軸對(duì)稱張力，在這種單一化過(guò)程中，隔水導(dǎo)管彎矩被轉(zhuǎn)換成等效張力（TEQ）。TEQ表示了隔水導(dǎo)管軸向張力（T）和彎矩（M）的集合［6］，即

3 應(yīng)力分析與優(yōu)化

隔水導(dǎo)管螺紋接頭所承受的外部載荷通過(guò)母接頭與公接頭旋合的內(nèi)、外螺紋來(lái)傳遞，因此，螺牙上的應(yīng)力分布對(duì)于螺紋的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

3.1 不同齒形接頭應(yīng)力分布

對(duì)相同載荷條件下的3種不同標(biāo)準(zhǔn)螺紋的隔水導(dǎo)管螺紋接頭進(jìn)行有限元分析，提取各螺紋牙輪廓應(yīng)力值，得出應(yīng)力變化如圖3所示。

圖3 不同標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭螺紋牙輪廓應(yīng)力變化

由圖3可以看出：各螺紋牙應(yīng)力分布不均勻，每個(gè)螺紋牙根部應(yīng)力最大，且在第1個(gè)螺紋牙根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象；3種標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭相比，圓弧螺紋接頭與梯形螺紋接頭比鋸齒螺紋接頭受力均勻，鋸齒螺紋接頭在各螺紋牙根部?jī)蓚?cè)，存在微弱的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

各螺紋牙應(yīng)力分布不均及螺紋牙根部的應(yīng)力集中嚴(yán)重影響了隔水導(dǎo)管螺紋接頭的抗拉性能，因此，需要對(duì)其進(jìn)行改善。

3.2 螺紋接頭優(yōu)化

針對(duì)隔水導(dǎo)管螺紋接頭各螺紋牙應(yīng)力分布不均，及第1個(gè)螺紋牙根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了避免隔水導(dǎo)管接頭過(guò)早失效，從研究隔水導(dǎo)管螺紋的應(yīng)力分布入手，采用改變螺紋錐度和改變螺紋螺距措施減小應(yīng)力集中程度，使螺紋載荷分布更加合理。

1） 改變螺紋錐度 保持公接頭外螺紋的錐度不變，變化母接頭內(nèi)螺紋的錐度，使螺紋兩端的1～2牙螺紋處于不完全接觸狀態(tài)。

2） 改變螺紋螺距 保持母接頭內(nèi)螺紋的螺距為標(biāo)準(zhǔn)螺距，變化公接頭外螺紋的螺距，使內(nèi)、外螺紋嚙合后，兩端的第1～2牙螺紋產(chǎn)生一定的軸向間隙，且間隙值越靠近兩端越大。

對(duì)3種不同標(biāo)準(zhǔn)螺紋的隔水導(dǎo)管螺紋接頭改進(jìn)后進(jìn)行分析，提取各螺紋牙應(yīng)力值，作出不同標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭應(yīng)力沿輪廓變化對(duì)比如圖4所示。

圖4 螺紋改進(jìn)前后應(yīng)力沿輪廓變化對(duì)比

由圖4可以看出：通過(guò)改變螺紋錐度，改變螺紋螺距，能夠有效地減小第1個(gè)螺紋牙根部的應(yīng)力，從而減小兩端的峰值應(yīng)力，使隔水導(dǎo)管螺紋接頭應(yīng)力分布更加均勻，提高隔水導(dǎo)管接頭的連接強(qiáng)度。此外，對(duì)于隔水導(dǎo)管圓弧螺紋接頭與梯形螺紋接頭，改變螺紋螺距能夠明顯降低各螺紋牙的應(yīng)力，對(duì)于隔水導(dǎo)管鋸齒螺紋接頭，改變螺紋錐度對(duì)降低各螺紋牙的應(yīng)力效果更明顯。

4 結(jié)論

1） 隔水導(dǎo)管標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭在載荷作用下，各螺紋牙應(yīng)力分布不均勻，每個(gè)螺紋牙根部應(yīng)力最大，且第1個(gè)螺紋牙根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2） 通過(guò)改變螺紋錐度，改變螺紋螺距，能夠有效減小第1個(gè)螺紋牙根部的應(yīng)力，使隔水導(dǎo)管接頭應(yīng)力分布更均勻，提高隔水導(dǎo)管接頭的連接強(qiáng)度。

3） 對(duì)于隔水導(dǎo)管圓弧螺紋接頭與梯形螺紋接頭，改變螺紋螺距能夠明顯降低各螺紋牙的應(yīng)力，而對(duì)于隔水導(dǎo)管鋸齒螺紋接頭，改變螺紋錐度對(duì)降低各螺紋牙的應(yīng)力效果更明顯。

［1］Shilling R，Payne M L.High－Strength Thread and Coupled Connectors for Dynamic Riser Applications［R］.SPE／108708，2007.

［2］Pollack J，Riggs D C.Improved Concentric Thread Connectors for SCRs and Pipelines［C］.OTC／21621，2011.

［3］高連薪，金 燁.圓螺紋套管接頭應(yīng)力分布規(guī)律研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（1）：42－48.

［4］習(xí)俊通，聶 剛.套管螺紋接頭連接性能的接觸有限元分析［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33（11）：63－66.

［5］何牛仔，高學(xué)仕.熱采井套管螺紋連接有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（9）：64－66.

［6］API 16R，Specification for Marine Drilling Riser Couplings［S］.1997.