特殊螺紋油管接頭上扣扭矩有限元分析

竇益華，強 楠，于 洋，曹銀萍

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著石油開采技術的提升，開采環境逐步轉向更大井深、更加高壓、溫度更高的復雜井況，特殊螺紋接頭目前得到了越來越廣泛的應用[1-4]。區別于API標準螺紋接頭，特殊螺紋接頭有單獨的密封面和扭矩臺肩部分，起到了多重密封作用。而上扣是一個動態變化過程，合理的上扣扭矩對特殊螺紋接頭性能的發揮起到至關重要的作用，過大的扭矩或者過小的扭矩都會對特殊螺紋接頭的密封性產生影響。因此研究上扣扭矩的大小對提升特殊螺紋接頭密封性能的作用十分重要。目前國內外文獻中大多基于特殊螺紋接頭二維模型，通過設置密封面、臺肩的過盈尺寸進行最終上扣狀態的應力分析，而很少見到針對整個上扣過程進行的動態分析[5-9]。因此本文建立三維接頭模型，考慮螺旋升角，應用ABAQUS有限元分析軟件模擬特殊螺紋接頭整個上扣動態過程，考慮在最大，最佳，最小扭矩作用下，分析了特殊螺紋油管接頭的密封性能。

1 特殊螺紋接頭的結構

特殊螺紋接頭在徑向方向采用金屬對金屬的主密封形式，密封結構為錐面對錐面，錐面對球面，球面對球面等。除此之外，許多特殊螺紋接頭還包括一個扭矩臺肩的密封區域來輔助密封，臺肩能夠承受較大的軸向力，具有抗過扭的作用。于API螺紋相比，特殊螺紋在連接強度、連接性能、解決螺紋粘扣和抗應力腐蝕等方面取得了很大的進步，滿足了特殊采油工況的生產。

2 特殊螺紋接頭上扣扭矩曲線

上扣曲線是特殊螺紋接頭在上扣過程中的直觀反應，需要有專門的扭矩控制。過大扭矩或過小扭矩直接影響接頭的密封性能，過大的扭矩可能使接頭臺肩、密封面和螺紋處產生應力集中情況，超過接頭材料的塑性應變，導致發生塑性變形、粘扣的情況，過小的扭矩可能會使接箍和管體密封面位置處過盈量不足，產生較小的應力集中現象，達不到密封的效果。

以寶鋼BGT2特殊螺紋接頭為例，上扣過程分為3個階段：內外螺紋接觸、密封面接觸和臺肩部分接觸，如圖1所示。上扣扭矩為（0.9～1.1）TD均滿足上扣要求的條件，0.9TD為最小上扣扭矩，1.1TD為最大上扣扭矩，TD為實際上扣時最終上扣扭矩[9-10]。

圖1 BGT2特殊螺紋上扣曲線

3 特殊螺紋油管接頭有限元模型

3.1 結構模型

本文用Solidworks三維設計軟件建立?88.9×6.45P110特殊螺紋油管接頭模型。特殊螺紋的牙型為偏梯形螺紋牙型，承載面角度3°，導向面角度10°，螺紋錐度1∶16，每英寸為5牙。密封面錐度為1∶5，臺肩為15°。臺肩為輔助密封部分，起到了抗過扭矩的能力。

3.2 材料模型

材料屈服強度為758 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，摩擦因數為0.124。網格劃分如圖2所示，模型網格的劃分采用結構拆分，局部細化的方法，對該接頭的密封面，臺肩和螺紋部分進行網格加密處理，使結果分析更加接近真實數據。采用8節點C3D8R單元，單元為六面體單元。接頭彈塑性屈服準則依據VonMises屈服準則，即第四強度理論[11-12]。

圖2 接頭網格劃分

3.3 特殊螺紋油管接頭扭矩分析

本文所采用的特殊螺紋油管接頭最大扭矩4 900 N·m，最佳扭矩4 090 N·m，最小扭矩3 690 N·m。

如圖3所示，最大上扣扭矩下接頭的等效應力為758 MPa，由圖可以看出等效應力集中現象出現在管體臺肩處，等效應力數值等于材料的屈服強度758 MPa，臺肩處未發生塑性變形，管體臺肩處實現接頭的輔助密封作用；當接頭采用最大上扣扭矩上扣時，靠近密封面處的管體外螺紋等效應力較大，中部螺紋應力分布較為均勻，接頭螺紋最大等效應力228 MPa，出現在靠近密封面的第一圈螺紋，螺紋未發生塑性變形，螺紋起到了良好的密封作用。

圖3 最大上扣扭矩下接頭等效應力云圖（MPa）

如圖4所示，接頭在最大上扣扭矩擰緊時，臺肩環處的最大接觸應力為213.6 MPa，最小接觸應力為105.6 MPa，臺肩環部分的接觸應力分布較均勻，且都未超過材料的屈服強度，臺肩處能夠實現接頭的輔助密封作用。管體密封面環部分與臺肩環部分之間存在狹小縫隙，忽略縫隙影響，密封面處最大接觸應力為555.4 MPa，受力且分布較為均勻，能夠實現良好密封。

圖4 最大上扣扭矩下臺肩環與密封面環接觸應力云圖（MPa）

如圖5所示，最佳上扣扭矩下接頭最大的等效應力為743.6 MPa，應力集中在管體臺肩處，接頭未發生塑性變形；從分析結果得出最佳上扣扭矩擰緊狀態下，接頭螺紋最大的等效應力為475 MPa，且靠近密封面處螺紋等效應力分布不均勻，靠近密封面處的螺紋等效應力大于中部螺紋等效應力，最大等效應力小于材料屈服強度758 MPa，因此接頭螺紋處未發生塑性變形，接頭結構完整。

圖5 最佳上扣扭矩下接頭等效應力云圖（MPa）

如圖6所示，接頭在最佳上扣扭矩擰緊下，接觸應力集中在管體臺肩處，最大接觸應力為222.3.3 MPa，臺肩環部區域接觸應力分布均勻，臺肩起到了良好的接頭輔助密封作用。此外，接頭密封面環部區域最大接觸應力為550.3 MPa，密封面處沒有出現較大接觸應力集中的現象，應力分布均勻。在最佳上扣扭矩下管體臺肩和密封面處均小于材料屈服強度，接頭架構完整，未發生塑性變形的情況，能夠起到接頭密封的作用。

圖6 最佳上扣扭矩下臺肩環與密封面環接觸應力云圖（MPa）

如圖7所示，最小上扣扭矩下接頭最大等效應力為739.0 MPa，應力集中出現在管體臺肩環形帶處，小于材料屈服強度758 MPa，未發生塑性變形；從分析結果得出接頭螺紋處最大的等效應力為283 MPa，出現在靠近密封面第一圈螺紋，螺紋主要起到了連接作用，因此螺紋等效應力小于密封面和臺肩處的等效應力。

圖7 最小上扣扭矩下臺肩與密封面處接觸應力云圖（MPa）

如圖8所示，最小上扣扭矩下接頭臺肩處的最大接觸應力為222.4 MPa，臺肩處應力分布均勻，起到了良好的輔助密封作用且都未超過材料屈服強度。密封面處的最大接觸應力為555.3 MPa，且均大于管體抗內壓強度，能夠實現良好密封。

圖8 最小上扣扭矩下臺肩環與密封面環接觸應力云圖（MPa）

如圖9所示，接頭擰緊以后，隨著上扣扭矩的增大，油管與接箍的等效應力呈平緩遞增趨勢。油管的臺肩和密封面相對管體處的等效應力值較大。

圖9 特殊螺紋接頭在最大、最佳、最小扭矩下接頭等效應力云圖

如圖10所示為特殊螺紋油管接頭在3種不同上扣扭矩的密封面和臺肩處的接觸壓力圖。由圖可以看出在進行不同上扣扭矩作用時，接頭整體應力值都低于接頭材料的屈服極限數值，且并未發生塑性應變。接頭在最大扭矩密封面處接觸應力數值波動大小最大，其次是最小上扣扭矩，最后是最小上扣扭矩。最小上扣扭矩擰緊下，接頭密封面處、臺肩處接觸壓力數值變化趨勢最為穩定，接觸壓力適中，接頭結構穩定，是為推薦的理想上扣扭矩值。在3種上扣扭矩擰緊下，在最大上扣扭矩時，臺肩處接觸壓力最大，其次是最佳上扣扭矩，最小上扣扭矩最小。因此最佳上扣扭矩完全擰緊時，該特殊螺紋油管接頭具有更好的密封性與連接強度。

圖10 最大、最佳、最小上扣扭矩下接頭密封面和臺肩接觸壓力環形圖

3.4 最大、最佳、最小上扣扭矩下特殊螺紋接頭應力對比分析

如表1所示，特殊螺紋接頭在最大、最佳、最小扭矩下特殊螺紋接頭的Mises應力數值呈現緩慢減小的趨勢，相差數值都不大。密封面和臺肩處的接觸壓力整體較為均勻，且都沒有超過管體的屈服強度。從最小到最大扭矩時，密封面和臺肩處的接觸壓力變化趨于平緩，相比較來說，最佳上扣扭矩擰緊時，且接頭等效應力比實際上扣增長1.8%，密封面接觸壓力增長1.9%，臺肩處接觸壓力增長1.5%，接頭處臺肩和密封面處接觸壓力數值大小適中，更好地避免了接頭較大應力集中現象導致的接頭塑性應變的現象，從而提升接頭密封性，更好地保證了接頭的完整性。

表1 三種扭矩下特殊螺紋接頭等效應力分析

4 不同錐度下特殊螺紋接頭應力分析

如表2所示，當上扣圈數一定時，隨著密封面錐度的增加，特殊螺紋接頭Mises應力逐漸增加，密封面上的接觸壓力也逐漸增大，且增大的速度越來越大，這表明增大錐面錐度可顯著提高密封性能。隨著錐面錐度的增加，臺肩處接觸壓力逐漸增大，當錐度過大時，密封面處和臺肩處容易出現局部接觸，接觸壓力容易發生較大變化，超過材料的屈服強度758 MPa，從而影響密封性能，因此密封面錐度控制在適當的范圍內可顯著提高接頭密封性。

表2 不同錐度下特殊螺紋接頭應力分析

5 結束語

本文主要分析了在最大扭矩、最佳扭矩、最小扭矩3種不同上扣扭矩下接頭螺紋、臺肩和密封面處的等效應力和接觸壓力。從以上分析可以得出如下結論。

（1）該模型能夠模擬現實生活中特殊螺紋接頭動態上扣過程。

（2）3種不同上扣扭矩上扣后，特殊螺紋接頭密封面接觸壓力都大于管體抗內壓強度，3種扭矩都能實現接頭密封的作用。

（3）相較于最小和最大上扣扭矩，最佳上扣扭矩擰緊狀態下密封面、臺肩、螺紋處的等效應力大小適中，接頭整體等效應力比實際上扣增長1.8%，密封面接觸壓力增長1.9%，臺肩處接觸壓力增長1.5%，且等效應力分布較為均勻，這樣很好地避免了應力過大而引起的塑性變形。

（4）最佳上扣扭矩擰緊下，密封面錐度的增大，可顯著提高特殊螺紋接頭的密封性能。過大的錐度導致接頭臺肩和密封面容易發生接觸應力集中現象，從而接觸壓力過大，進而影響接頭密封性。