基于S59 地質鉆桿接頭螺紋的研究與改進

郎明朗，張賀勝，張萌

（中國地質大學（武漢）機電學院，武漢 430074）

0 引言

隨著深部資源勘探的發展，開發適于我國國情的深部鉆探機械和鉆具成為目前比較迫切的問題。鉆機在回轉鉆進的過程中鉆桿承受著交變的多種復合載荷，在地質條件復雜的深部鉆井時經常會發生鉆桿失效事故。通常鉆桿本體的剛性和強度都遠大于接頭螺紋，鉆桿的失效破壞主要發生在接頭螺紋部位［1-2］。因此，研究鉆桿接頭螺紋的失效機制，提高其連接強度具有重要意義。國家地質鉆桿標準中S59 鉆桿是比較典型的一種［3］，但是S59鉆桿在應力分布上存在著應力集中等問題，而且接頭螺紋不能承受較大的應力。為此，本文針對S59 鉆桿接頭螺紋進行有限元仿真分析，并提出了幾種改進措施。

1 研究及改進的基本原理［8］

本文主要分析了國家地質標準中S59 鉆桿接頭和改進后的S59 鉆桿接頭螺紋加載后的應力分布狀況。首先在CAXA 中建立鉆桿接頭二維模型，然后利用ANSYS 有限元軟件對二維模型進行有限元加載分析，得出鉆桿接頭螺紋加載后的應力云圖，從應力分布云圖中分析出接頭螺紋承受的最大應力值［4］。

1.1 數據分析

S59 鉆桿接頭部位的主要參數：小徑d2=46 mm，內螺紋大徑d1=55.5 mm，外螺紋大徑d2=56.5 mm、錐度為1：30、外螺紋牙頂寬3.784 mm、內螺紋牙頂寬3.799 mm、螺距為8 mm、牙高為0.75 mm、牙型角30°、牙型半角15°、密封角為15°。外螺紋［3］如圖1。

圖1 S59 鉆桿接頭外螺紋

1.2 在CAXA 里建立二維模型

根據接頭部位的參數，在CAXA 軟件不同層內分別建立內外螺紋的簡化二維模型，然后進行內外螺紋的配合。按照實際工作中鉆桿接頭螺紋受力情況，在配合過程中要確保梯形螺紋只有一邊緊密接觸，即過盈配合;另一邊螺紋要有一定的縫隙，即過渡配合。圖2 為S59 鉆桿接頭螺紋配合后的二維模型，螺紋牙型為偏梯形。

圖2 S59 鉆桿接頭內外螺紋的配合

1.3 ANSYS 有限元軟件仿真分析

首先在有限元軟件中設置文件名、保存路徑，設定單元類型為PLANE182。在Material-Props 中設置彈性模量為2×1011MPa 和泊松比為0.3 后，將S59 鉆桿接頭的二維模型導入ANSYS 軟件中。然后由線生成面，進行網格劃分操作、添加接觸對、設置載荷（施加軸向拉力載荷50 MPa）、求解結果。本文涉及到幾種針對S59 鉆桿接頭的改進方案，因而涉及到對不同接頭的有限元加載分析。幾次分析過程均與S59 鉆桿接頭的分析過程相同，例如施加的載荷均為50 MPa。

1.4 讀取ANSYS 分析結果

在ANSYS 有限元軟件中完成仿真實驗后，可以得到鉆桿接頭受力后的應力云圖、鉆桿接頭處產生的應力最大值、應力分布狀況等信息。對比幾組數據可以得到效果較好的模型，也有利于進一步分析改進。

2 S59 鉆桿接頭螺紋的分析

將S59 鉆桿接頭螺紋［3］配合后的二維模型導入ANSYS軟件中進行有限元仿真分析，得到如圖3、圖4 的應力云圖。

圖3 S59 鉆桿接頭整體應力云圖

圖4 S59 鉆桿接頭局部應力云圖

在應力云圖中，明顯看出應力集中現象和較大應力均產生在螺紋接觸對處，最大應力出現在第一個螺紋牙的接觸部位。其最大應力值σmax=727 MPa。

3 應用控制變量法對S59 鉆桿接頭螺紋進行改進

3.1 將S59 鉆桿接頭錐度由1：30 調整為1：16

對S59 鉆桿接頭的錐度進行改進（即把錐度1：30 改進成1：16）后，通過ANSYS 應力云圖可知應力最大值σmax=2 870 MPa，存在應力集中現象，螺紋受力增大。局部及整體應力云圖如圖5 圖6。

3.2 改變梯形牙型尖角為半徑0.06 mm 圓弧

由于梯形螺紋尖角的存在導致了應力集中現象明顯，鉆桿接頭螺紋部位有較大的破壞力。所以改梯形尖角為圓弧，如圖7、圖8。

圖5 1:16（有密封夾角）局部應力云圖

圖6 1:16（有密封夾角）整體應力云圖

只對S59 鉆桿接頭的錐度進行改進，通過ANSYS 應力云圖可知，應力σmax=12500MPa。密封尖角部位受力過大，且存在應力集中現象。

圖7 改進前的接觸牙型

圖8 改進后的接觸牙型

3.3 增加接觸的螺紋牙對數

S59 鉆桿接頭只有3～4 個相互配合的螺紋對，應力基本分布在螺紋接觸部位。經調研發現，70%的鉆桿失效和破壞的原因是鉆桿接頭螺紋接觸部位承受應力過大［4］，所以我們針對增加配合牙型的對數能否減小最大應力進引了相應的研究。

對S59 鉆桿接頭接觸的螺紋對數進行改進（增加1對接觸的螺紋對）后，通過ANSYS 應力云圖可知，應力最大值σmax=3 500 MPa，產生的最大內應力較大，密封尖角部位受力過大，且存在應力集中現象。

對比上述幾組實驗數據可知，參數調整后的鉆桿接頭所產生的應力大幅度增加，且在密封尖角處存在應力集中現象。所以我們猜測S59 鉆桿接頭螺紋密封方法存在弊端，導致最大應力值偏大，應力集中現象嚴重。由S59 鉆桿接頭螺紋的二維模型可知，S59 鉆桿接頭螺紋的密封形式為2 個銳形尖角的配合，如圖9。所以在后面的研究中，我們暫時去掉密封尖角來進行研究。

4 去掉密封尖角的模型有限元分析

4.1 去掉S59 鉆桿接頭密封尖角（其他參數不變）

對去掉密封尖角的S59 鉆桿螺紋接頭進行有限元分析后，得到的有限元分析結果為：σmax=789 MPa，與未去掉密封尖角相比，最大應力值有所增大。

圖9 S59 鉆桿接頭的密封形式

圖10 S59 鉆桿接頭的去掉密封形式

4.2 S59 鉆桿接頭錐度由1：30 調整為1：16

把改進后的S59 鉆桿接頭二維模型（密封尖角去掉）導入ANSYS 軟件中進行有限元分析，得到整體應力云圖圖11，局部應力云圖12。

圖11 1:16 整體應力云圖

圖12 1:16 局部應力云圖

由應力云圖得，應力集中和較大應力均發生在接觸對部位，最大應力出現在第一個牙型的接觸部位。應力最大值σmax=589 MPa。

對比相同加載條件下標準S59 鉆桿螺紋接頭所做的應力云圖可知，密封尖角改進后的螺紋接頭的應力最大值變小，應力集中狀況有所好轉。綜上可知，1：16 錐度的鉆桿接頭對生產實踐有較大意義。

4.3 變梯形牙型尖角為半徑0.06 mm 圓弧

在圓弧改進方面我們做了多組實驗，如0.03 mm、0.05 mm、0.055 mm，0.08 mm 的圓弧等，最終發現半徑為0.06 的圓弧在所做圓弧實驗組中效果較好。與S59 鉆桿接頭螺紋相比有較大優勢。圖13 為其應力云圖。由ANSYS 應力云圖可知：σmax=902 MPa，應力集中現象出現在第一個接觸對處。應力分布狀況得到明顯改善，且應力較大的部位減少，達到了改善的目的。

4.4 增加螺紋牙的接觸對數

S59 鉆桿接頭螺紋只有3～4 個相互配合的螺紋對，由于應力基本集中分布在接觸部位，所以針對增加配合牙型的對數是否能夠減小最大內應力進行了相應的研究。圖14、圖15 為增加1 對接觸螺紋牙的二維模型和加載后得到的應力云圖。

圖13 圓弧半徑為0.06 mm 鉆桿接頭加載后局部應力云圖

在同樣的加載情況下，對此模型進行有限元分析。由ANSYS 的應力云圖得到σmax=693 MPa，最大應力及應力集中主要分布在接觸對部位。與S59 鉆桿相比，應力最大值減小，應力分布也比較均勻，這說明增加接觸螺紋對數有較好的結果。

圖14 增加一對接觸螺紋牙的二維模型

圖15 局部應力云圖

5 結語

為了提高鉆桿（接頭）的壽命，減少螺紋接頭所受的最大應力，改善應力分布狀況，我們在鉆桿接頭錐度、螺紋牙接觸對數、牙型等方面做了相關的有限元分析，得到如下結論：1）S59 鉆桿接頭螺紋的密封形式會導致應力集中，但由于沒有提出新的密封形式，所以暫時去掉此種密封形式進行研究，這種改進有利于減少應力集中現象、減小最大內應力。

2）對去掉密封尖角的S59 模型進行改進時我們發現：（1）適當改變錐度有利于減小螺紋接頭所受的最大內應力值，改善應力分布狀況。其中1：16 錐度的鉆桿接頭的效果最好。（2）改變螺紋牙型的尖角為圓弧有利于改善螺紋應力分布狀況。所做的ANSYS 分析中圓弧半徑為0.06 mm的效果最好。（3）適當增加接觸的螺紋對數有利于減小螺紋接頭所受的最大內應力，從而改善應力分布狀況。

［1］高連新，魯喜寧.圓螺紋套管接頭應力分布規律研究［J］.鉆探機械，2010，39（6）：71-73.

［2］陳松林.鉆桿螺紋失效分析及改進措施研究［J］.地質勘探，2012，42（4）：45-48.

［3］DZ1.2-1984 繩索取芯金剛石巖芯鉆探管材螺紋［S］.

［4］李大彬，黃崇君，雷中清，等.鉆桿螺紋的結構優化與有限元模擬［J］.鋼管，2012，39（8）：71－73.

［5］冉誠實.鉆挺螺紋失效分析及改進方法研究［D］.成都：西南石油大學，2003.

［6］郭朝勇.CAXA 電子圖版繪圖教程［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［7］宋健峰.ABSYS 有限元分析［M].北京：中國鐵道出版社，2012.

［8］張居勤.國外油井管特殊扣的主要類型及其特點[J].鉆探機械，2010，39（6）：56-59.

［9］李飛，胡記生，李玉民，等.73 mm（S135）直連型鉆桿的研制及應用［J］.鉆探機械，2010，42（6）：51-64.

［10］王治國，劉普清，唐豪清.關于圓螺紋套管API 最佳上扣扭矩合理性的探討［J］.寶鋼技術，2001（2）：60－64.

［11］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，2011，35（6）：61－66.