CLS 特殊螺紋接頭氣密結構研究及有限元分析

秦雙雙，王儒朋

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

隨著石油工業的發展，尤其是深井、超深井、高壓氣井、定向井的開發以及高含硫氣井的開采，對石油套管的使用性能不斷提出了更高的要求。CLS 特殊螺紋套管接頭具有高抗扭性能，在惡劣工況下仍有良好的使用效果，在CLS 螺紋套管上開展氣密性能研究，可以有效應對海上氣田的應用要求。本文在保證原CLS 螺紋套管高抗扭結構上開展氣密結構研究，并通過有限元的方式對不同氣密結構進行計算分析，最后給出了氣密結構選擇的方向建議。

1 氣密結構設計

影響螺紋接頭密封性能的因素較多，密封結構形式是重要因素之一。目前，國內應用的密封結構形式主要有錐面-錐面、球面-錐面、柱面-球面等密封形式，如圖1 所示。本文選取錐面-錐面和球面-錐面這兩種密封結構形式利用有限元進行分析。

圖1 特殊螺紋的主要密封結構形式

2 氣密結構有限元計算分析方向密封面應力及接觸壓力分析

2.1 有限元模型的建立

CLS 接頭材料采用L80-3Cr，錐面-錐面接頭密封面處的錐度為1：11，球面-錐面接頭密封面處的球形半徑為73.25mm。據此建立三維模型后采用六面體減縮積分單元對模型整體進行網格劃分，有限元模型如圖2 所示。

圖2 7”CLS 接頭及接箍網格劃分

2.2 有限元計算

最大Mises 應力。將兩種接頭的結構形式分別與接箍進行裝配，經有限元分析得到如圖3 所示的Mises 應力云圖。

從圖中可以看出，最大應力主要集中在密封面處，錐面-錐面接頭最大Mises 應力為553.7MPa，球面-錐面接頭最大Mises 應力為556.6MPa，且接頭上的Mises 應力值大于接箍。

圖3 7”CLS Mises 應力云圖

密封面應力及接觸壓力。在密封面上，沿密封面錐度球面弧度方向取等距20 個節點，沿密封面錐度方向Mises 應力逐漸減小，沿球面弧度方向先保持不變后逐漸減小；沿密封面錐度方向接觸壓力逐漸減小，沿球面弧度密封面的接觸壓力呈中間高、兩邊低的分布規律。

在接頭密封面最大Mises 應力處，沿逆時針方向取Mises 應力，Mises 應力和接觸壓力在環向上分布均勻。

密封面應力及接觸壓力極值如表1 所示。

表1 密封面應力及接觸壓力極值

3 結語

本文針對兩種密封結構接頭的Mises 應力機緊接觸壓力有限元計算結果，得出如下結論：錐面-錐面接頭略小于球面-錐面接頭的最大Mises 應力，因此，錐面-錐面接頭在使用過程中具有更好的上扣性能；錐面-錐面接頭最大接觸應力小于球面-錐面接頭的最大接觸應力，因此，球面-錐面接頭具有更好的密封性能；兩種密封結構的密封面上，環向Mises 應力分布均勻，滿足使用要求；二者密封面的環向接觸壓力分布較均勻，平均接觸壓力大于50 MPa，均具有良好的密封性能。建議今后的研究中，可采用實物試驗的方式對兩種密封結構形式進行驗證，并結合工廠加工設備能力及加工難易程度最終選定優化設計方案。