臺肩角度對特殊螺紋接頭密封性能的影響

白 鶴 ，何石磊 ，，唐 俊 ，黨 濤 ，王 軍 ，周新義

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；

2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008）

隨著我國石油勘探水平的不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井逐年增加，對油套管的性能，特別是接頭的性能提出了越來越高的要求［1］。連接強度高、密封性能好的特殊螺紋接頭油套管已得到了油田用戶的廣泛使用。本文借助ABAQUS有限元分析軟件，以Φ139.7 mm×9.17 mm規格P110鋼級特殊螺紋接頭油套管為例，分析討論臺肩角度對特殊螺紋接頭密封性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1 模型的簡化

特殊螺紋接頭密封結構的基本形式主要有錐面-錐面、錐面-球面和柱面-球面等［2-3］。密封面上的接觸應力分布直接決定了接頭的密封性能，而主密封結構的形式不同，主密封面上的接觸應力分布也就不同。錐面-錐面密封結構具有較高的接觸應力，較長的密封長度，同時容易進行高精度加工，目前被國內外廣泛使用［4］。本文分析選用的特殊螺紋接頭結構如圖1所示，主密封結構為錐面-錐面金屬過盈密封，臺肩角度分別為直角、-5°和-15°。

圖1 特殊螺紋接頭結構示意

根據有限元分析軟件特點，結合該特殊螺紋接頭的實際情況，對特殊螺紋接頭的有限元模型進行以下假設和簡化：①管體和接箍為各向同性的強化材料；②忽略螺紋升角的影響；③假設管體和接箍在變形前的幾何尺寸為理想狀態［5-7］。

根據油田井況，特殊螺紋接頭在上卸扣后會在井下承受拉伸、壓縮等載荷，因此需要對特殊螺紋接頭進行拉伸、壓縮載荷下的有限元分析。基于上述模型的特點及假設，特殊螺紋接頭臺肩角度對密封性能的影響分析可按軸對稱問題處理，采用彈塑性非線性有限元方法進行分析。

1.2 參數設置

特殊螺紋接頭有限元模型網格劃分如圖2所示，采用軸對稱4節點單元，并在螺紋、密封面及臺肩處進行網格加密。根據接頭的服役環境，本次分析采用的軸向拉伸及壓縮載荷均為2 500 kN，上扣扭矩為9 500 N·m；此外，結合材料特性，取彈性模量210 GPa，摩擦因數0.02（摩擦因數與螺紋脂有關，一般為0.015～0.025［8］），泊松比為0.3。

特殊螺紋接頭在上扣過程中，一般分為兩個階段：首先手緊至基準面，此時螺紋之間沒有產生過盈量；隨后通過控制扭矩，利用專用設備完成整個上扣過程，完成上扣后內外螺紋之間產生過盈配合。

2 有限元模擬結果及分析

2.1 接頭上扣后

不同臺肩角度的特殊螺紋接頭在上扣后，密封面及臺肩上各點的接觸應力如圖3所示。從圖3（a）看出：不同臺肩角度的接頭在上扣后，密封面處的接觸應力分布整體趨勢類似，均是隨著距臺肩端面的距離增加而降低；但各點（特別是距離臺肩端面近的點）的接觸應力區別很大，-15°臺肩的接頭最大接觸應力達到985 MPa，而對應的-5°臺肩和直角臺肩的接頭最大接觸應力僅有688 MPa和495 MPa。不同臺肩角度對密封面上最大接觸應力影響較大，這主要是由于-15°臺肩特殊螺紋接頭在上扣后，管體端面和接箍臺肩面接觸并產生一定過盈量，此時管體端面受到的力可分解為水平力和垂直力，垂直力會進一步增加接頭密封面相互接觸的趨勢，且對管體端部影響相對較大，而直角臺肩的特殊螺紋接頭沒有垂直方向的分力；因此-15°臺肩的接頭密封性能明顯優于-5°臺肩和直角臺肩的接頭。

圖2 特殊螺紋接頭有限元模型網格劃分示意

圖3（b）所示為特殊螺紋接頭上扣后，臺肩角度對臺肩輔助密封性能的影響。可以看出：不論是-15°臺肩接頭還是直角臺肩接頭，接觸應力隨著與管體鼻端內壁距離的增加，均呈現先增高后降低的趨勢，且各個點的接觸應力值差別不大。因此從模擬計算結果來看：特殊螺紋接頭在上扣后，臺肩角度的變化對臺肩的輔助密封性能影響不大。

2.2 接頭上扣+拉伸載荷

不同臺肩角度的特殊螺紋接頭在上扣+拉伸載荷條件下，密封面各點接觸應力如圖4所示。從模擬結果可知：特殊螺紋接頭在上扣后受到2 500 kN拉伸載荷時，密封面處的應力值下降幅度非常大，此時3種接頭的密封面最大接觸應力均在300～400 MPa之間，說明拉伸載荷對接頭密封面接觸應力的影響較大，但臺肩角度的變化對接頭在上扣+拉伸載荷條件下的接觸應力影響不大。此外，通過 API標準公式［9］（式 1）計算，得出管體內屈服壓力Pi為99.5 MPa，因此3種接頭在上扣+拉伸載荷下依然能夠保證油氣井對接頭的密封要求。

圖3 上扣后密封面及臺肩各點接觸應力

式中fy——管體名義最小屈服強度，MPa；

kw——管體壁厚誤差常數；

t——管體名義壁厚，mm；

D——管體名義外徑，mm。

圖4 上扣+拉伸載荷條件下密封面各點的接觸應力

上扣+拉伸載荷下特殊螺紋接頭臺肩及密封面各點的接觸應力如圖5所示。從圖5中看出：接頭在承受2 500 kN拉伸載荷時，管端與臺肩接觸位置發生位移分開，接觸應力為0，臺肩處失去了輔助密封的作用。而密封面靠近臺肩的位置依然存在著較高的接觸應力，與圖4中密封面處的接觸應力值相對應。

圖5 上扣+拉伸載荷下特殊螺紋接頭臺肩及密封面各點的接觸應力

2.3 接頭上扣+壓縮載荷

不同臺肩角度的特殊螺紋接頭在上扣+壓縮載荷下，密封面及臺肩各點接觸應力如圖6所示。從模擬計算結果可知：在承受壓縮載荷時，3種接頭密封面處的接觸應力整體趨勢均隨著與臺肩端面距離的增加，接觸應力先降后增，但不同的扭矩臺肩角度對接頭密封面上最大接觸應力影響非常大，-15°臺肩接頭最大接觸應力達到788 MPa，且出現在最靠近臺肩端面處，而直角臺肩接頭最大接觸應力卻僅有223 MPa，且出現在錐面密封面的收尾位置；因此，特殊螺紋接頭在上扣后承受壓縮載荷時，-15°臺肩接頭密封性能明顯優于-5°和直角臺肩接頭。這主要是因為在接頭上扣后受到壓縮載荷作用時，-15°臺肩接頭管體端面產生的垂直分力進一步增加了密封面之間相互接觸的趨勢。不論-15°臺肩接頭還是直角臺肩接頭，在該載荷下密封面處的最大接觸應力均大于管體內屈服壓力；因此，3種接頭在上扣+壓縮載荷條件下依然能夠保證良好的密封性能。在上扣+壓縮載荷條件下，不同角度臺肩面各點接觸應力隨著距管體鼻端內壁距離的增加呈先升后降的趨勢（圖6b），且不同角度臺肩面上取距離鼻端內壁相同的點，其接觸應力幾乎相同。因此，臺肩角度的變化在上扣+壓縮載荷下，對臺肩的輔助密封性能影響不大。

圖6 上扣+壓縮載荷條件下密封面及臺肩各點的接觸應力

3 結 論

（1）特殊螺紋接頭上扣過程中，不同臺肩角度對密封面上最大接觸應力影響較大，-15°臺肩接頭密封性能明顯優于直角臺肩接頭，而臺肩角度的變化對臺肩的輔助密封性能影響不大。

（2）特殊螺紋接頭上扣+拉伸載荷條件下，臺肩角度的變化對接頭密封面處接觸應力變化的影響不大，最大接觸應力均在300～400 MPa之間，完全滿足接頭要求的密封性能。而隨著拉伸載荷的逐漸增加，3種臺肩角度的特殊螺紋接頭管端與臺肩接觸位置分開，導致整個臺肩接觸應力為0，失去了輔助密封的作用。

（3）特殊螺紋接頭上扣后，在施加壓縮載荷時，臺肩角度的變化對接頭密封面上最大接觸應力影響非常大，-15°臺肩接頭最大接觸應力達到788 MPa，且出現在最靠近臺肩端面位置；而直角臺肩接頭最大接觸應力卻出現在錐面密封面的收尾位置，且僅有223 MPa。在該載荷條件下，臺肩角度的變化對臺肩的輔助密封性能影響不大。

（4）負角臺肩的接頭在上扣及上扣+壓縮載荷條件下可以產生垂直方向的分力，進一步增大密封面相互接觸的趨勢；因此，-15°臺肩接頭密封面處密封性能明顯優于直角臺肩接頭。

［1］白鶴，賈宏安，黨濤，等.我國油套管特殊螺紋接頭質量探討［J］.焊管，2012，35（9）：29-33.

［2］白鶴，黨濤，何石磊，等.模擬工況下特殊螺紋密封特性的有限元分析［J］.鋼管，2013，42（4）：60-63.

［3］高連新，孫坤忠.旋轉固井用高抗扭氣密封套管的研制與應用［J］.鋼管，2013，42（2）：22-26.

［4］孔華，步玉環，馬明新.特殊螺紋接頭錐面/錐面結構密封特性研究［J］.石油礦場機械，2011，39（4）：14-22.

［5］楊智春，李斌，史交齊.特殊扣套管接頭的應力及密封特性分析［J］.機械科學與技術，2004，23（7）：771-776.

［6］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.

［7］周曉君，魏波.基于ANSYS的特殊螺紋接頭結構設計與分析［J］.機電工程，2012，29（9）：1002-1006.

［8］ Kwon W Y，Klementich E F，Ko I K.An efficient and accurate model for the structural analysis of threaded tubular connections［J］.SPE Production Engineering，1990，5（4）：261-264.

［9］ America Petroleum Institute.Technical report on equations and calculations for casing tubing and line pipe used as casing or tubing；and performance properties tables for casing and tubing［S］.7th.2008.