HSQR 快速螺紋接頭的分析與試驗

胡志立， 李小兵， 李建亮， 吳 丹， 付 強，張垂貴， 胡新太， 李 健， 冉雪輝

（衡陽華菱鋼管有限公司， 湖南 衡陽421000）

0 前 言

大直徑套管 （≥Φ339.72 mm） 下井時不易對扣， 尤其在海洋、 沙漠等惡劣環境下， 由于波浪、 大風等因素影響， 管柱搖擺不定， API 螺紋接頭容易產生對扣偏心、 錯扣等風險， 從而造成管柱泄漏、 滑脫等事故， 嚴重影響下井效率， 因此快速螺紋接頭成為最佳解決方案[1-3]。 快速螺紋接頭具有上扣速度快、 對扣方便、 不易錯扣的特點， 下井效率遠超同規格同鋼級API 偏梯扣，可為用戶節約大量時間和經濟成本[4]。 目前， 國內外著名特殊扣廠家均開發了快速螺紋接頭， 如瓦盧瑞克·曼內斯曼鋼管公司（Vallourec & Mannesmann Tubes， V&M） 開發了Big Omega[5]和DINO VAM 特殊扣； 泰納瑞斯（Tenaris） 開發了ER和Blue Quick Seal 特殊扣； 國內天津鋼管公司開發了TP-QR 特殊扣； 衡陽華菱鋼管公司開發了HSQR 快速螺紋接頭等。 本研究針對衡陽華菱鋼管公司生產的HSQR 快速螺紋接頭進行有限元及實物性能分析， 為油田用戶提供參考。

1 HSQR 快速螺紋接頭的結構特點

1.1 優化的偏梯螺紋齒形

HSQR 快速螺紋接頭采用優化的偏梯螺紋齒形， 增大齒型導向面角度， 增強上扣時螺紋的導入性能， 入扣容易， 減少錯扣的概率， 從而提高下井作業效率。 另外， 減小承載面角度， 可降低大直徑套管在拉伸載荷下易收縮變形而產生脫扣事故的概率， 提高接頭的連接強度。

1.2 大齒高設計

螺紋接頭在受到拉伸載荷的作用下， 內螺紋向外膨脹， 外螺紋向內收縮， 對于大直徑套管而言， 由于橢圓度較大， 螺紋周向嚙合受力不均勻， 螺紋接頭就更容易產生滑脫， 因此采用大齒高、 大粗牙的設計， 可防止大直徑套管接頭脫扣失效， 保證接頭的連接效率。 同時， 優化了公母螺紋齒側之間和齒頂之間的間隙， 保證了接頭具有良好的上扣操作性和抗泄漏能力。

1.3 大螺距、 大錐度設計

HSQR 快速螺紋接頭采用大螺距、 大錐度設計， 深度對扣時可方便快速上扣， 提高了下井作業效率。

1.4 優化的螺紋中徑配合尺寸

通過優化的公母螺紋中徑尺寸來實現合理的螺紋過盈配合， 從而保證公母螺紋在上扣后具有理想的應力分布狀態。

2 有限元分析

2.1 模型建立

以衡陽華菱鋼管有限公司生產的規格為Φ339.72 mm×12.19 mm L80 HSQR 快速螺紋接頭為例進行分析。 采用ABAQUS 為分析軟件， 輸入幾何模型， 根據接頭的結構和受力特點， 將其按軸對稱問題處理， 且將接頭的接箍中面處理為對稱面， 該截面內各點只有徑向位移自由度； 為消除管端效應， 建模時管體長度取約為螺紋長度的3 倍。 建模時引入下述簡化和假設： 由于螺紋的螺旋升角很小， 忽略其影響， 把接頭視為軸對稱結構； 接頭的材料視為均勻的各向同性體[6-8]。 快速螺紋接頭的有限元模型螺紋部位網格細化如圖1 所示。 螺紋部位細化網格為0.1 mm，采用四節點四邊形單元CAX4。 取材料彈性模量E=2.05×105MPa， 泊松比μ=0.3， 材料模型采用雙線性強化模型， 根據接頭的實際材料性能輸入真實應力、 真實應變數據。 根據接頭的受力施加邊界條件。

圖1 HSQR 快速螺紋接頭有限元模型螺紋部位網格細化

2.2 上扣有限元分析

HSQR 快速螺紋接頭在規定最小上扣位置時 （接箍上扣至三角形底邊） 的應力分布云圖如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 上扣后接頭表現為偏梯形螺紋接頭典型的上扣應力分布狀態， 接箍端部和管體端部兩端應力高、 中間應力水平低， 整體應力水平低于材料屈服強度， 接頭整體應力分布狀態與設計構想一致。

圖2 最小上扣位置時HSQR 快速螺紋接頭的應力分布云圖

HSQR 快速螺紋接頭在規定最大上扣位置時 （接箍上扣至三角形底邊過去4 mm 處） 的應力分布云圖如圖3 所示。 由圖3 可以看出，上扣后仍然是接箍端部和管體端部兩端應力高、中間應力水平低， 特別是最后嚙合三扣消失螺紋牙應力水平較高， 整體應力水平高于最小上扣位置時的應力狀態， 與材料屈服強度相比， 接頭整體應力水平仍較低， 整個應力分布與設計構想一致。 通過對最小上扣位置和最大上扣位置的分析可以看出， 接頭整體應力分布狀態合理， 說明螺紋的過盈量范圍設計較為合理。

圖3 最大上扣位置時HSQR 快速螺紋接頭的應力分布云圖

2.3 拉伸失效有限元分析

按照等步長加載的方法施加拉伸載荷， 直至最后嚙合螺紋牙突然出現較大徑向位移拐點， 導致脫扣失效， 或者突然出現較大等效塑性應變拐點導致斷裂失效， 記錄此時的載荷值。 經過有限元計算分析， 接頭在最小上扣位置下拉伸至失效時的拉伸載荷為8 170 kN， 此時VME 應力為管體的118%， 應力應變分布狀態如圖4 所示。 最后2 扣螺紋牙開始脫離嚙合， 從最后嚙合消失螺紋牙開始滑脫失效。

圖4 最小上扣位置下拉伸至失效時HSQR 快速螺紋接頭的應力應變分布云圖

接頭在最大上扣位置下拉伸至失效時的拉伸載荷為8 375 kN， 此時VME 應力為管體的121%， 應力應變分布狀態如圖5 所示。 最后2扣螺紋牙開始脫離嚙合， 從最后嚙合消失螺紋牙開始滑脫失效。

圖5 最大上扣位置下拉伸至失效時HSQR 快速螺紋接頭的應力應變分布云圖

3 實物試驗

為驗證HSQR 快速螺紋接頭的各項性能是否滿足標準要求， 對其展開實物試驗評價， 主要檢測HSQR 接頭的上卸扣性能、 連接強度、 內壓及外壓性能。

3.1 上卸扣試驗

上扣是螺紋接頭使用的第一步， 上扣質量的好壞對后續使用性能有較大影響。 按照3 次上扣2 次卸扣， 螺紋脂采用Bestolife 72733， 接箍進行磷化處理。 HSQR 快速螺紋接頭由于是按照三角形位置控制上扣， 本研究上卸扣試驗按照最大上扣位置進行上扣， 以便得到該接頭最差的抗粘扣性能。 實物試樣上扣扭矩曲線如圖6 所示， 可以看出上扣扭矩與上扣圈數線性度較好。 螺紋接頭第2 次卸扣后的照片如圖7 所示， 可以看出內外螺紋均沒有發生粘扣現象， HSQR 快速螺紋接頭滿足上扣完整性要求。

圖6 HSQR 快速螺紋接頭上扣扭矩曲線

圖7 HSQR 快速螺紋接頭第2 次卸扣后的實物照片

3.2 拉伸至失效試驗

在復合加載試驗系統上對HSQR 快速螺紋接頭進行拉伸試驗， 其加載曲線及試驗試樣如圖8 所示。 當拉伸載荷達到8 006 kN 時， 復合加載系統檢測到管體伸長量急劇增加， 表明試樣已經發生屈服， 管體屈服強度為6 923 kN， 此時失效載荷為管體的115%VME， 超過同規格API 偏梯扣的連接強度， 說明HSQR 快速螺紋接頭具有優異的連接強度。

圖8 HSQR 快速螺紋接頭拉伸試驗

3.3 內壓至失效試驗

在復合加載試驗系統上對HSQR 快速螺紋接頭進行內壓試驗， 其加載曲線及試驗試樣如圖9所示， 內壓介質為水。 當內壓達到51.7 MPa 時，壓力開始下降， 表明接頭發生泄漏， 此時失效壓力為API 偏梯扣最小內屈服壓力 （34.0 MPa） 的1.52 倍， 說明HSQR 快速螺紋接頭具有優異的抗內壓泄漏性能。

圖9 HSQR 快速螺紋接頭內壓試驗

3.4 外壓至失效試驗

在外壓擠毀試驗系統上對HSQR 快速螺紋接頭進行外壓試驗， 其加載曲線及試驗試樣如圖10 所示， 外壓介質為水。 當外壓達到25.2 MPa時發生管體擠毀， 此時試樣的外壓失效值為API 偏梯扣擠毀值 （15.6 MPa） 的1.62 倍， 試驗結果表明HSQR 快速螺紋接頭具有優異的抗擠毀性能。

圖10 HSQR 快速螺紋接頭外壓試驗

4 結束語

開發的HSQR 快速螺紋接頭上扣應力水平分布合理， 全尺寸實物試驗表明該接頭滿足2 次卸扣3 次上扣不粘扣的要求， 并且其內壓性能、外壓性能、 連接強度均明顯超過API 偏梯扣性能。 HSQR 快速螺紋接頭在中石油西南油氣紅星1 井以及塔里木油田滿蓬1 井進行了下井應用，油田客戶反饋HSQR 快速螺紋接頭對扣容易，相比同規格API 偏梯扣下井效率提高了1 倍。