基于ISO 13679 B系試驗(yàn)載荷的特殊螺紋接頭密封性能研究*

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710065)

隨著復(fù)雜環(huán)境油氣田開(kāi)發(fā)的不斷深化，井下環(huán)境越發(fā)嚴(yán)苛，特殊螺紋接頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)API接頭，取得了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。特殊螺紋接頭是油、套管柱連接的主要部件，同時(shí)也是受力薄弱部位，一旦發(fā)生密封失效將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此特殊螺紋接頭的質(zhì)量及性能檢驗(yàn)十分關(guān)鍵[1-2]。特殊螺紋接頭主要通過(guò)密封面和扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多級(jí)密封的目的[3]。ISO 13679[4]是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的螺紋接頭性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但全尺寸試驗(yàn)周期長(zhǎng)、花銷(xiāo)高，且對(duì)實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)及試驗(yàn)設(shè)備要求較高。另外，由于接頭材料的塑性變形、特殊螺紋結(jié)構(gòu)接觸的復(fù)雜性以及載荷工況的多樣性，難以用解析解描述接頭密封完整性問(wèn)題，考慮到有限元方法的經(jīng)濟(jì)性與便捷性，因此，有必要借助于有限元數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)特殊螺紋接頭密封可靠性分析。

MURTATISU等[5]通過(guò)物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了靜載作用下金屬/金屬密封面的密封性能與接觸應(yīng)力，認(rèn)為當(dāng)金屬密封參數(shù)大于臨界值時(shí)，特殊螺紋連接具有足夠的密封能力。XIE[6]對(duì)MURTATISU得到的公式進(jìn)行優(yōu)化，提出了高溫高壓油套管特殊螺紋連接時(shí)金屬/金屬密封臨界指數(shù)的計(jì)算方法。曹夢(mèng)雨等[7]采用數(shù)值模擬方法，建立特殊螺紋接頭二維軸對(duì)稱(chēng)模型，考察了軸力和內(nèi)壓對(duì)密封性能的影響。申昭熙等[8]分析了隨機(jī)變化的錐度、密封直徑、載荷等情況下特殊螺紋接頭密封面接觸壓力的分布規(guī)律。祝效華等[9]簡(jiǎn)化螺紋升角，分析了彎矩作用下接頭的應(yīng)力分布狀態(tài)以及不同螺紋參量對(duì)應(yīng)力分布規(guī)律的影響，建議彎曲段螺紋進(jìn)行選型時(shí)使用較大螺紋錐度及承載面角度的螺紋接頭。狄勤豐等[10]使用顯式動(dòng)力學(xué)有限元法分析了上扣過(guò)程中螺紋接頭的合力與合力矩的變化、軸向位移以及各螺紋牙上的扭矩，及不同載荷對(duì)接頭應(yīng)力分布情況的影響。竇益華等[11-12]分析了不同上扣扭矩和彎曲載荷作用下特殊螺紋接頭的應(yīng)力分布，認(rèn)為最佳上扣扭矩下特殊螺紋接頭的密封性及連接強(qiáng)度最好；隨彎曲載荷的增大，接頭螺紋段的黏扣趨勢(shì)增加。孫建安和王琍[13]通過(guò)有限元及實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了符合ISO 13679試樣要求的接頭上扣特性，研究了接頭不同尺寸參數(shù)對(duì)上扣扭矩曲線的影響。XIE等[14]通過(guò)模擬ISO 13679中的上扣試驗(yàn)及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接頭密封強(qiáng)度及可靠性的影響。劉文紅等[15]建立特殊螺紋接頭的平面模型，進(jìn)行了ISO 13679中載荷包絡(luò)線試驗(yàn)?zāi)M，并利用Kriging模型分析了危險(xiǎn)載荷點(diǎn)下接頭的密封可靠性。楊向同等[16]依據(jù)ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)中上/卸扣試驗(yàn)程序?qū)︷た垲l發(fā)的某型特殊螺紋油管接頭進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不規(guī)范卸扣會(huì)引發(fā)油管黏扣，據(jù)此提出了預(yù)防措施及建議。

上述文獻(xiàn)借助有限元軟件對(duì)特殊螺紋接頭的密封性能進(jìn)行了仿真分析，為特殊螺紋接頭密封性能研究提供了很好的思路，但為了提高運(yùn)算效率，建模過(guò)程中多進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，如忽略螺紋升角或建立二維有限元模型，少有對(duì)ISO 13679中有彎曲的B系試驗(yàn)進(jìn)行模擬，或?qū)系試驗(yàn)中的彎曲載荷等效為軸向載荷計(jì)算。故本文作者在建模時(shí)考慮特殊螺紋接頭螺紋升角的影響，借助ABAQUS有限元軟件建立了某特殊螺紋接頭的三維有限元模型，分析了ISO 13679 CAL IV級(jí)有彎曲B系試驗(yàn)載荷下接頭密封面上的應(yīng)力分布及接觸壓力分析，作為衡量其密封性能的依據(jù)。

1 特殊螺紋接頭的密封機(jī)制

與傳統(tǒng)API接頭依靠螺紋配合來(lái)實(shí)現(xiàn)密封不同，特殊螺紋接頭由主密封面的金屬/金屬過(guò)盈配合和扭矩臺(tái)肩的輔助作用保證密封性能。流體所產(chǎn)生的局部阻力與泄漏路徑長(zhǎng)度和間隙截面積存在如下關(guān)系[17]：

(1)

式中：p為接觸壓力，Pa。

MURTAGIAN等[5]通過(guò)研究金屬/金屬密封面的密封性能與接觸應(yīng)力，提出螺紋接頭密封性能的判據(jù)為

(2)

式中：L為密封長(zhǎng)度，m；n為相關(guān)性指數(shù)，有密封脂時(shí)，n=1.2；無(wú)密封脂時(shí)，n=1.4。

2 B系載荷包絡(luò)線試驗(yàn)簡(jiǎn)介

ISO 13679中載荷包絡(luò)線試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)高載荷及復(fù)合載荷時(shí)螺紋接頭的密封性能是否保證處于安全界限。試驗(yàn)載荷路徑有9個(gè)常規(guī)載荷點(diǎn)和5個(gè)彎曲載荷點(diǎn)，按逆時(shí)針-順時(shí)針-逆時(shí)針的方向循環(huán)施加載荷；當(dāng)接頭與管體的壓縮效率一樣時(shí)，載荷點(diǎn)8與載荷點(diǎn)9重合。圖1所示為考慮彎曲載荷時(shí)CAL IV級(jí)B系試驗(yàn)的加載路徑。其中，路徑1、路徑2和路徑3分別為100%VME包絡(luò)線、95%VME包絡(luò)線和試驗(yàn)加載路徑。與彎曲載荷等效的拉伸/壓縮載荷由40%管體屈服強(qiáng)度、40%接頭屈服強(qiáng)度和19.7°/30 m狗腿度三者中的最小值確定。

圖1 B系載荷包絡(luò)線試驗(yàn)加載路徑

3 特殊螺紋接頭有限元模型建立

文中以φ88.9 mm×6.45 mm P110油管某特殊螺紋接頭為研究對(duì)象，采用C3D8R六面體減縮積分單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并對(duì)涉及接觸的密封面及螺紋段進(jìn)行細(xì)化[18],得到公扣接頭處網(wǎng)格為42 998個(gè),接箍處網(wǎng)格為45 701個(gè),如圖2所示。

圖2 特殊螺紋接頭有限元模型

4 特殊螺紋接頭邊界約束及外載施加

建模時(shí)面/面之間的接觸需通過(guò)建立螺紋導(dǎo)向面處的接觸對(duì)、螺紋承載面處的接觸對(duì)，及密封面-臺(tái)肩面處的接觸對(duì)等3個(gè)面/面接觸對(duì)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)接觸對(duì)的設(shè)置原則，將公扣接頭的螺紋導(dǎo)向面、螺紋承載面及密封面-臺(tái)肩面設(shè)置為從面。由于上扣時(shí)公扣接頭相對(duì)于母扣接頭會(huì)有比較大的轉(zhuǎn)動(dòng)量，將接觸對(duì)的滑移屬性設(shè)置為有限滑移。接箍端面的約束為固定約束；外載通過(guò)建立連續(xù)分布節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)施加。依據(jù)ISO 13679 CAL IV級(jí)試驗(yàn)要求，可設(shè)計(jì)出表1所示的模擬載荷表。

表1 B系載荷包絡(luò)線試驗(yàn)載荷

彎曲作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為

(3)

式中：D為外徑，m；t為壁厚，m；M為彎矩，N·m；I為慣性矩，m4；Dleg為狗腿度，(°)/m。

5 特殊螺紋接頭密封性能仿真結(jié)果

圖3所示為考慮彎曲載荷時(shí)ISO 13679 B系試驗(yàn)中關(guān)鍵載荷點(diǎn)處接頭的Von Mises應(yīng)力云圖。可見(jiàn)，螺紋段及密封面均不同程度地呈現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；接頭的狀態(tài)為一側(cè)受拉、一側(cè)受壓；在受拉一側(cè)靠近密封面部位處接箍上的Von Mises應(yīng)力值較小；而在受壓一側(cè)管體端部的Von Mises應(yīng)力值較大。接頭Von Mises應(yīng)力在第一象限沿載荷加載路徑增大；而在第二象限沿載荷加載路徑下降。

圖3 考慮彎曲載荷作用時(shí)B系試驗(yàn)關(guān)鍵載荷點(diǎn)處接頭Von Mises應(yīng)力云圖

5.1 沿環(huán)向路徑Von Mises應(yīng)力及接觸壓力分析

圖4所示為在有彎曲載荷點(diǎn)處，接頭密封面上的Von Mises應(yīng)力沿環(huán)向路徑的分布規(guī)律。可知，密封面上的Von Mises應(yīng)力沿環(huán)向路徑分布不均，整體呈現(xiàn)拉伸一側(cè)值小而壓縮一側(cè)值大的分布狀態(tài)。載荷點(diǎn)2B處拉伸側(cè)Von Mises應(yīng)力為297 MPa，壓縮側(cè)為602 MPa。載荷點(diǎn)3B處拉伸側(cè)Von Mises應(yīng)力為244 MPa，壓縮側(cè)為604 MPa。

圖4 密封面上Von Mises應(yīng)力沿環(huán)向路徑的變化曲線

第二象限沿載荷加載路徑，即隨軸向壓縮載荷的增加和內(nèi)壓的減小，考慮彎曲載荷作用時(shí)關(guān)鍵載荷點(diǎn)處密封面上Von Mises應(yīng)力沿環(huán)向路徑增大。接頭上拉伸一側(cè)的Von Mises應(yīng)力由載荷點(diǎn)5B處的230 MPa增大至7B處的309 MPa；壓縮一側(cè)的Von Mises應(yīng)力由載荷點(diǎn)5B處的605 MPa增大至7B處的713 MPa。最大Von Mises應(yīng)力未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，未發(fā)生塑性變形。

圖5所示在密封面上沿同一環(huán)向路徑的接觸壓力分布曲線。接觸壓力分布狀態(tài)與Von Mises應(yīng)力分布狀態(tài)一致，均為在受拉一側(cè)應(yīng)力及接觸壓力數(shù)值較小，受壓一側(cè)應(yīng)力及接觸壓力數(shù)值較大。不同的是，密封面處接觸壓力與Von Mises應(yīng)力沿載荷加載路徑的變化趨勢(shì)相反。考慮彎曲載荷作用時(shí)密封面上的接觸壓力在第一象限沿載荷加載路徑增大，接頭上拉伸一側(cè)的最小接觸壓力由載荷點(diǎn)2B處的375 MPa增大至3B處的448 MPa；壓縮一側(cè)的最大接觸壓力由載荷點(diǎn)2B處的2 840 MPa增大至3B處的3 150 MPa。

圖5 沿同一環(huán)向路徑密封面上接觸壓力曲線

考慮彎曲載荷時(shí)密封面上的接觸壓力在第二象限沿載荷加載路徑減小。接頭上拉伸一側(cè)的最小接觸壓力由載荷點(diǎn)5B處的480 MPa降低至7B處的131 MPa；壓縮一側(cè)的最大接觸壓力由載荷點(diǎn)5B處的3 240 MPa降低至7B處的2 650 MPa。

5.2 沿錐度方向Von Mises應(yīng)力及接觸壓力分析

為直觀看出密封面上壓縮側(cè)和拉伸側(cè)Von Mises應(yīng)力的分布規(guī)律，沿密封面錐度方向等間距取7個(gè)節(jié)點(diǎn)，可繪制出如圖6所示的沿長(zhǎng)度方向的密封面處Von Mises應(yīng)力變化曲線。可見(jiàn)，不同關(guān)鍵載荷點(diǎn)處，密封面處的Von Mises應(yīng)力在壓縮一側(cè)和拉伸一側(cè)沿錐度方向上的變化趨勢(shì)一致。在拉伸側(cè)，Von Mises應(yīng)力沿密封面長(zhǎng)度方向先增大后減小，在節(jié)點(diǎn)2處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。在第一象限載荷點(diǎn)處，密封面上Von Mises應(yīng)力隨軸向拉伸載荷的減小和內(nèi)壓的增大而減小；在第二象限載荷點(diǎn)處，密封面上Von Mises應(yīng)力隨軸向壓縮載荷的增加和內(nèi)壓的減小而增大。對(duì)比載荷點(diǎn)5B和6B可知，軸向壓縮載荷對(duì)密封面上Von Mises應(yīng)力影響較大。

由圖6(b)可見(jiàn)，壓縮側(cè)Von Mises應(yīng)力沿載荷加載路徑逐漸增大，沿密封面長(zhǎng)度方向上節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)4處Von Mises應(yīng)力較大。載荷點(diǎn)7B處最大Von Mises應(yīng)力高達(dá)769 MPa，發(fā)生了塑性變形。

圖6 沿長(zhǎng)度方向密封面處Von Mises應(yīng)力變化曲線

圖7所示為密封面拉伸段及壓縮段最大接觸壓力變化曲線。

圖7 密封面拉伸段及壓縮段最大接觸壓力變化曲線

可見(jiàn)，在第一象限關(guān)鍵載荷點(diǎn)處密封面上最大接觸壓力沿載荷加載路徑增大。拉伸側(cè)最大接觸壓力由579 MPa增至608 MPa；壓縮側(cè)最大接觸壓力由2 810 MPa增至3 100 MPa。在第二象限關(guān)鍵載荷點(diǎn)處密封面上最大接觸壓力沿載荷加載路徑減小，拉伸側(cè)由617 MPa降低至409 MPa；壓縮側(cè)由3 190 MPa降低至2 660 MPa。

6 結(jié)論

以某特殊螺紋接頭為研究對(duì)象，依據(jù)ISO 13679 CAL IV級(jí)B系載荷包絡(luò)線試驗(yàn)載荷仿真分析了該特殊螺紋接頭的密封特性，取得如下認(rèn)識(shí)：

(1)彎曲載荷對(duì)特殊螺紋接頭Von Mises應(yīng)力分布及接觸壓力分布影響較大。

(2)考慮彎曲載荷作用時(shí)，特殊螺紋接頭呈現(xiàn)出一側(cè)受拉、一側(cè)受壓的狀態(tài)。接頭密封面上的Von Mises應(yīng)力及接觸壓力分布趨勢(shì)一致，均為在受拉一側(cè)較小、受壓一側(cè)較大。

(3)密封面上的接觸壓力在第一象限關(guān)鍵載荷點(diǎn)處沿載荷加載路徑增大。

(4)考慮彎曲載荷作用時(shí)，沿環(huán)向路徑上密封面處的接觸壓力沿載荷加載路徑逐漸減小，特殊螺紋接頭可能會(huì)發(fā)生密封失效。