彎曲載荷下特殊螺紋油管接頭應力有限元分析

于　洋，王　軻，曹銀萍，竇益華

（西安石油大學機械工程學院，西安710065）①

彎曲載荷下特殊螺紋油管接頭應力有限元分析

于洋，王軻，曹銀萍，竇益華

（西安石油大學機械工程學院，西安710065）①

利用Abaqus有限元軟件建立了某特殊螺紋油管接頭的三維有限元模型，分析了不同彎曲載荷下特殊螺紋油管接頭的應力分布情況。結果表明：彎曲載荷對該型特殊螺紋接頭的連接強度與密封性有一定的影響，而對連接強度的影響較大，隨著彎曲載荷的增大各圈螺紋粘扣可能性就越大；彎曲載荷下密封面處接觸應力相對于上扣作用下整體略有下降，受拉伸端臺肩處由于存在間隙導致接觸應力為零，但密封面處環向路徑仍然保持了較高的接觸應力。

特殊螺紋；彎曲載荷；三維有限元；應力分析

油管在服役過程中的受力十分復雜，包含軸向力、內外壓以及彎曲等載荷。軸向力會使管柱發生屈曲變形，在管柱屈曲變形段會有彎曲載荷的存在，而在定向井造斜段中管柱的彎曲程度更為嚴重，因此，彎曲載荷對特殊螺紋接頭性能好壞有很大的影響。在以前研究中，有限元法對特殊螺紋油管接頭進行復雜工況下連接強度與密封性評價的應用較為普遍，但大都采用二維軸對稱模型對特殊螺紋接頭進行軸向力、內外壓工況下的有限元分析。彎曲載荷并非軸對稱載荷，因此相較于二維有限元模型，在彎曲載荷對特殊螺紋接頭完整性影響的分析應用中，三維有限元模型的計算結果更加切合實際。由于油管間的連接是通過油管與接箍間螺紋的嚙合來實現的，這樣在外螺紋與內螺紋間形成了1個復雜的空間螺旋曲面。因此，本文建立了考慮螺紋升角且完整精確的某特殊螺紋油管接頭88.9 mm×6.45 mm P110三維有限元模型，分析了彎曲載荷對特殊螺紋油管接頭連接強度以及密封性能的影響。

1　特殊螺紋接頭有限元模型的建立

某特殊螺紋油管接頭幾何模型如圖1所示。接頭采用偏梯形螺紋，螺紋錐度1∶16，承載面角3°，導向面角10°，內外螺距均為每英寸5牙，密封面為錐度1∶2錐面對錐面密封，轉矩臺肩為逆向角15°，起輔助密封作用。該接頭所用材料的屈服強度758 MPa，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，摩擦因子0.02。利用Solidworks軟件分別建立油管、接箍幾何模型，再裝配為一體。

圖1　特殊螺紋油管接頭幾何模型

有限元模型如圖2所示，該模型均采用8節點C3D8R單元，該單元為六面體單元，對扭曲方面的計算結果較為精確。本文主要對特殊螺紋接頭密封性與連接強度進行分析，因此，劃分網格時對密封面與螺紋處進行細化處理，以此實現更為精確的結果。接頭之間的接觸采用表面與表面接觸，求解器類型為Abaqus/Standard，該類型求解器在接觸問題上的應用具有較強的功能。

圖2　特殊螺紋接頭有限元模型

2　彎曲載荷對特殊螺紋接頭密封性能的影響

以最佳轉矩完全擰緊后，特殊螺紋接頭在30°/30 m彎曲載荷下的等效應力云圖如圖3所示。在彎曲載荷下，接頭應力分布不均勻，出現應力集中現象，接頭整體應力分布近似呈現軸對稱現象，一半處于拉伸狀態，另一半為壓縮狀態，拉伸端與壓縮端應力較大，而對稱面附近應力較小。接頭最大等效應力為865 MPa，出現在接頭壓縮端螺紋處。在接頭受拉伸端，接近密封面處接箍管體出現了應力集中；在接頭受壓縮端，油管螺紋大端消失點平面處出現了應力集中。

圖3　彎曲載荷下特殊螺紋接頭等效應力云圖

圖4為30°/30 m彎曲載荷下特殊螺紋油管接頭二維等效應力云圖。在彎曲載荷下，接頭受拉伸端臺肩處出現明顯間隙，接觸應力減小為零，密封面充分接觸；壓縮端臺肩充分接觸，應力較大。

圖4　特殊螺紋接頭拉伸端與壓縮端二維等效應力云圖

特殊螺紋油管接頭在上扣作用與彎曲載荷下，密封面與臺肩環向路徑接觸應力變化曲線如圖5所示。在上扣作用下，接頭密封面接觸應力整體大于臺肩處，密封面與臺肩處接觸應力分布較均勻，密封面處最大接觸應力為399 MPa，最小為362 MPa；臺肩處最大接觸應力為243 MPa，最小為215 MPa。在彎曲載荷下，接頭密封面處接觸應力相對于上扣作用下整體減小，臺肩處受拉伸部分接觸應力減小，受壓縮部分應力增大。接頭受拉端密封面接觸應力大于臺肩處，密封面處最大接觸應力為447 MPa，最小為273 MPa；受壓端臺肩接觸應力大于密封面處，最大接觸應力為733 MPa，應力大小隨著環形路徑呈拱形變化。受拉端臺肩處由于存在間隙，接觸應力減小為零，但密封面處環形帶仍然保持了較高的接觸應力。因此，彎曲載荷對接頭的密封性能影響較小，30°/30 m彎曲載荷下接頭仍然可以保持較好的密封。

圖5　密封面與臺肩環向路徑接觸應力變化曲線

3　彎曲載荷對特殊螺紋接頭連接強度的影響

在上扣作用與彎曲載荷作用下，特殊螺紋接頭嚙合螺紋處等效應力云圖如圖6所示，可以看出：嚙合螺紋處應力分布不均勻，有應力集中現象；上扣作用下，油管小端螺紋處應力較大，大端螺紋處應力較小，最大等效應力出現在油管小端第1圈螺紋處，為285 MPa，整體應力小于材料屈服強度；在30°/30 m彎曲載荷下，嚙合螺紋處最大等效應力出現在螺紋大端第1圈處，為865 MPa，螺紋大端前4圈處應力較大，小端螺紋處應力相較于大端處較小，最大等效應力大于材料屈服強度，發生了微小的塑性形變。

綜上所述，在上扣作用與彎曲載荷下，螺紋處應力的分布發生了較大的變化，因此彎曲載荷對螺紋處應力的分布有較大的影響，從而提高了螺紋發生粘扣的可能性，降低了螺紋連接強度。

圖6　螺紋處等效應力云圖

每圈嚙合螺紋處最大等效應力如圖7所示，接近密封面處螺紋規定為第1圈。在上扣作用下，各圈螺紋最大等效應力總體相差不大；在彎曲載荷下，各圈螺紋最大等效應力值均大于在上扣作用下的最大等效應力，第9～13圈螺紋承擔了主要的載荷份額，且最大等效應力均大于材料屈服強度。每種彎曲載荷下嚙合螺紋處最大等效應力值從第1～13圈均逐漸增大，當彎曲載荷為40°/30 m時，螺紋第13圈處最大等效應力值達到最大值878 MPa，大于材料屈服強度。因此，隨著彎曲載荷的變大，各圈螺紋處最大等效應力均在逐漸增大，而粘扣的可能性也在逐漸增大。

圖7　各圈螺紋最大等效應力

4　彎曲載荷對特殊螺紋接頭密封性與連接強度影響對比分析

圖8為上扣作用與不同彎曲載荷下接頭密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力。在上扣作用下，密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力分別為759、750、285 MPa；20°/30 m彎曲載荷下密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力分別為778、771、834 MPa；30°/30 m彎曲載荷下密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力分別為788、765、865 MPa；40°/30 m彎曲載荷下密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力分別為791、770、878 MPa。彎曲載荷下，密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力均大于材料屈服強度從而發生了微小的塑性變形。隨著彎曲載荷的增大，螺紋、密封面最大等效應力呈上升趨勢，但螺紋處上升幅度最大，其次是密封面，臺肩處等效應力略有變化。因此，彎曲載荷對接頭的連接強度與密封性均有一定的影響，而對連接強度的影響較大。

圖8　不同彎曲載荷下密封面、臺肩、螺紋處最大等效應力

5　結論

1） 在彎曲載荷下，特殊螺紋接頭應力分布不均勻，有應力集中現象出現，接頭整體應力分布近似呈現軸對稱現象，一半處于拉伸狀態，另一半為壓縮狀態，拉伸端與壓縮端應力較大，而對稱面附近應力較小。

2） 在彎曲載荷下，密封面處接觸應力相對于上扣作用下整體下降，特殊螺紋接頭受拉伸端密封面處接觸應力大于受壓縮端密封面接觸應力，受壓縮端臺肩接觸應力隨著環形路徑呈拱形變化，整體應力變大，而拉伸端由于臺肩存在間隙所以接觸應力為零。但密封面處環向路徑仍然保持了較高的接觸應力。

3） 彎曲載荷對該型特殊螺紋接頭的連接強度與密封性均有一定的影響，而對連接強度的影響較大，隨著彎曲載荷的增大，各圈螺紋處最大等效應力均在逐漸增大，而粘扣的可能性也在逐漸增大。

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Finite Element Analysis of the Stress of Premium Connection Loaded by Bending Loads

YU Yang，WANG Ke，CAO Yinping，DOU Yihua
（College of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

The stress distribution of premium connection under different bending load is analyzed and Abacus finite element software is used to establish a three-dimensional finite element model of premium connection.The results showed that Bending loads have a certain impact on the strength of the connection and seal characteristic，but a greater impact on the strength of the connection.With the increase of bending load，the possibility of each ring thread galling is on the rise.The contact stress of the sealing surface under bending load gets less overall than that the given the buckle.The contact stress of stretched side torque shoulder is zero due to a space.But the contact stress of sealing surface on a circular path under bending load is so large that sufficient to ensure the seal.

premium connection；bending load；three dimensions finite element；stress analy sis

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.013

1001-3482（2015）07-0053-04

①2015-01-01

國家自然科學基金“體積壓裂管柱特殊螺紋接頭流固耦合振動機理及密封性研究”（51404198）

于 洋（1986-），男，河南開封人，工程師，碩士，主要從事試油、完井管柱完整性方面的研究。