油管特殊螺紋接頭上扣后密封性仿真研究

白 松

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

在油氣田的勘探開發(fā)中，油套管通常通過接頭連接成井深所需長度來實(shí)現(xiàn)油氣資源的開采，因此接頭性能是油套管管柱的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。特殊螺紋接頭憑借其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)越的密封性能，能夠更好地服役于高壓、高溫聯(lián)合作用下（HPHT）的復(fù)雜井況，因此成為油田惡劣工作條件下的首選產(chǎn)品。

特殊螺紋接頭通常使用偏梯型螺紋來滿足整個(gè)管柱結(jié)構(gòu)能達(dá)到相同的強(qiáng)度要求，在徑向方向采用金屬對金屬的密封形式（見圖1）。除此之外，許多特殊螺紋接頭還包括一個(gè)扭矩臺(tái)肩的密封區(qū)域來控制上扣扭矩。

圖1 特殊螺紋接頭示意圖

本文對具有代表性的油套管接頭Φ114.3×8.56 mm P110上扣后的密封性能進(jìn)行仿真研究，以期確定合理的套管接頭密封性評價(jià)方法。

1 密封性仿真評價(jià)參數(shù)

經(jīng)分析，選定以下參數(shù)作為仿真評價(jià)特殊扣密封性能的主要依據(jù)[1]：

（1）最大接觸壓力。本文分析的特殊扣的主密封為金屬-金屬的密封，接觸面金屬間的過盈為其密封機(jī)理，即接觸壓力越高，其密封能力越強(qiáng)。特殊扣金屬材料的泊松比、上扣變形和介質(zhì)壓力直接影響密封副間的接觸壓力。防止泄漏最主要的條件是金屬面之間的間隙為0，若使密封面間隙為0，則密封面間的最大接觸壓力應(yīng)大于密封介質(zhì)的壓力。其中上扣變形與介質(zhì)壓力共同作用下的接觸壓力模型為式（1），滿足密封系統(tǒng)不泄漏的條件是式（2）。

式中：pm-密封耦合面的最大接觸壓力，MPa；q0-預(yù)緊變形后耦合面的最大接觸壓力，MPa；pmax-工作介質(zhì)作用下的最大壓力，MPa；p-介質(zhì)壓力，MPa。

（2）密封積分強(qiáng)度。本文分析的特殊扣在密封臺(tái)肩部位構(gòu)成金屬-金屬的密封，這里采用密封積分強(qiáng)度來表征其密封性能。密封積分強(qiáng)度不僅考慮了接觸壓力的影響，還引入了接觸長度。

式中：W-密封積分強(qiáng)度，MPa·mm；pn-單元接觸壓力，MPa，與p無直接關(guān)系；L-接觸長度，mm。

（3）等效應(yīng)力。為保證密封面不發(fā)生塑性變形以及特殊扣的結(jié)構(gòu)完整性，應(yīng)使特殊扣各部位的等效應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限。

2 油管特殊螺紋接頭有限元模型

進(jìn)行分析的油管規(guī)格接頭為：Φ114.3×8.56 mm P110，分析中，接頭的有限元模型基于大型商業(yè)軟件ABAQUS建立。

2.1 結(jié)構(gòu)模型

建模及分析過程中，本報(bào)告中模型均采用接頭名義尺寸建立。考慮到接箍及管體的軸向?qū)ΨQ特性，且螺紋的螺旋升角非常小（小于0.6°），可將接頭簡化為二維軸對稱模型。其中，接箍沿軸向取其一半長度；為消除邊界效應(yīng)，管體不帶螺紋的部分長度應(yīng)大于。

為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分中采用CAX4R和CAX3單元。考慮到螺紋、密封面和臺(tái)肩部位存在的過盈量以及接觸分析的需要，在這些部位需要對模型網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，從而保證更準(zhǔn)確和可靠的分析結(jié)果[2，3]。

2.2 材料模型

分析過程中，接頭和管體材料均假定為各向同性強(qiáng)化材料，材料模型的數(shù)據(jù)取自材料的實(shí)際拉伸性能曲線，并進(jìn)行了歸一化處理。為保證與實(shí)際情況相一致，有限元分析所采用的材料性能曲線應(yīng)為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，需要根據(jù)從試樣獲得的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理[4]：

式中：σtrue-真實(shí)應(yīng)力；-真實(shí)應(yīng)變；σnom-工程應(yīng)力；εnom-工程應(yīng)變；E-楊氏模量。據(jù)此得到的材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖2）。

其中，材料的屈服強(qiáng)度為758 MPa，楊氏模量為200 GPa，泊松比為 0.3。

2.3 邊界條件

考慮到軸對稱模型的特性，對接箍中面做軸向位移約束，即：

圖2 材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 上扣條件

無論是在油田還是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，油套管接頭的上扣都是由液壓大鉗完成，上扣過程需要扭矩和位置的控制。對特殊螺紋接頭尤其如此，并且特殊螺紋接頭還需要有特定的臺(tái)肩拐點(diǎn)扭矩。

有限元計(jì)算分析中，采用臺(tái)肩軸向過盈來控制求解特殊螺紋接頭的接觸問題，從而獲得接頭上扣的最終位置狀態(tài)，采取Interference Fit分析功能可進(jìn)行接頭上扣分析計(jì)算[4]。

2.5 網(wǎng)格劃分

由于套管接頭幾何形狀近似是軸對稱的，因此在ABAQUS中采用軸對稱單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)接頭的受力特點(diǎn)，可知研究的重點(diǎn)是在密封部位和內(nèi)外螺紋嚙合牙上，故在接頭的螺紋處、密封面、臺(tái)肩處網(wǎng)格細(xì)化（見圖3）。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 接觸壓力

特殊螺紋接頭的主密封面接觸壓力計(jì)算結(jié)果（見圖4（a）），最大接觸壓力出現(xiàn)在沿密封面頂點(diǎn)投影點(diǎn)的1.37 mm處，大小為1 809.7 MPa，同時(shí)確定密封寬度為1.54 mm；輔助密封面臺(tái)肩面接觸壓力計(jì)算結(jié)果（見圖4（b）），最大接觸壓力出現(xiàn)在沿臺(tái)肩面距頂點(diǎn)的5.87 mm處，大小為1 294.1 MPa，同時(shí)確定密封寬度為4.58 mm。

3.2 密封積分強(qiáng)度

由式（3）可計(jì)算主密封面與輔助密封面的密封積分強(qiáng)度（見表1）。

表1 名義尺寸下，主密封面和臺(tái)肩輔助密封面的接觸應(yīng)力情況

3.3 等效應(yīng)力

接頭上扣結(jié)束狀態(tài)下的等效應(yīng)力分布圖（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)在上扣后油管接頭密封部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，頂點(diǎn)處尤為明顯，其最大等效應(yīng)力為7；螺牙部位前2牙外螺紋的齒根與內(nèi)螺紋的齒頂過渡嚙合，有粘扣的趨勢，但螺牙大部分結(jié)構(gòu)完整，應(yīng)力分布合理；內(nèi)螺紋接箍部分中面無斷裂趨勢，整體應(yīng)力分布合理。說明油管在上扣后不會(huì)發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)。

圖3 油管螺紋特殊扣網(wǎng)格模型及局部細(xì)化

圖4 上扣結(jié)束后的接觸壓力分布（名義尺寸、室溫）

圖5 上扣結(jié)束后的等效應(yīng)力圖（名義尺寸、室溫）：（a）密封面附近；（b）接頭整體

4 結(jié)論

（1）通過不同的評價(jià)參數(shù)，分析可以發(fā)現(xiàn)Φ114.3×8.56 mm P110油管接頭在最終上扣后，接頭主密封面和輔助密封面的接觸壓力分布合理，密封寬度較長，最后算得的密封積分強(qiáng)度較大，同時(shí)接頭上扣后的等效應(yīng)力分布合理沒有斷裂的趨勢，說明油管接頭上扣后保證在完整性前提下仍能維持一個(gè)較好的密封性能。

（2）采用多角度的評價(jià)參數(shù)計(jì)算，不僅可以觀察油管在未發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的前提下研究密封性，還可以節(jié)約實(shí)物試驗(yàn)的巨大花費(fèi)，為油管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供快速的理論指導(dǎo)。