基于ABAQUS的直連型套管螺紋有限元受力分析

張 強，劉瀟瀟

(濮陽石油化工職業技術學院，河南 濮陽 457000)

0 引言

直連型套管是一種將螺紋直接加工在本體上的一種套管連接螺紋，由于沒有像其他常規套管一樣使用接箍連接，因此直連型套管減少了整個套管柱的外徑尺寸，增大了套管柱與井壁之間的間隙，直連型套管這一特性在超深井、開窗側鉆井、小井眼中有著重要的應用意義[1]。

套管接頭分析的方法主要有三種：解析法、試驗法和有限元方法。接頭螺紋結構復雜，解析法使用經過簡化的模型來計算，結果不夠精確，不能直接應用；試驗法有周期長、費用高的缺點，因此有限元模擬就是分析接頭螺紋受力比較有效的方法。由于套管接頭螺紋的復雜性，建立三維有限元模型將帶來巨大的計算量，因此大多數學者采用各種各樣的簡化模型，其中以軸對稱最多，并且解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受[2]。

本文使用ABAQUS有限元軟件，針對CST-ZT直連型套管建立了二維軸向對稱模型，分析了直連型套管在典型工況下的受力影響規律，以期為直連型套管的優化和現場的使用提供一定的借鑒作用。

1 有限元模型的建立

1.1 ABAQUS有限元軟件

ABAQUS作為世界上使用最多的有限元軟件之一，可以用來解決復雜的力學問題，并且特別適合解決和分析非線性力學問題[3]。ABAQUS的操作流程主要分為三步：前處理、求解計算和后處理，如圖1所示。

圖1 ABAQUS操作流程

1.2 材料特性

攀成鋼研發的CST-ZT直連型套管接頭，套管鋼級Q140，規格為139.70 mm×7.72 mm，Q140鋼級材料機械性能和相關性能數據如表1所示[4]。

表1 Q140鋼級材料性能各項參數

1.3 模型假設

采用二維軸對稱模型來模擬螺紋的受力，在有限元建模時作如下假設。

1)材料為各向同性。

2)使用二維軸對稱模型。二維軸對稱模型解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受[2]，因此忽略較小的螺旋升角造成的影響。

3)螺紋面、密封面等接觸面的摩擦系數設定為0.02[5]。

1.4 網格劃分

對模型進行建模和網格劃分，單元類型采用CAX8I，對螺紋嚙合面、密封面及臺肩處進行了局部網格加密，圖2、圖3為有限元模型網格劃分示意圖。

圖2 有限元模型網格劃分

2 有限元模擬

2.1 上扣擰緊工況螺紋牙承載面接觸應力模擬

圖4是上扣擰緊時，無軸向載荷，臺肩過盈量為0.02 mm的工況下的螺紋Mises應力云圖。螺紋牙承載面的平均接觸應力如圖5所示，從圖中可以看出，在臺肩處施加過盈接觸后，螺紋最后幾扣螺紋牙承擔了大部分的軸向預緊力。

圖4 臺肩過盈產生的Mises應力云圖

圖5 上扣擰緊后臺肩過盈產生的螺紋牙承載面平均接觸應力

2.2 軸向受拉下螺紋牙狀態分析

圖6是對套管接頭分別施加軸向受拉載荷700 kN、1 100 kN和1 600 kN下的Mises應力云圖。從圖中可以看出在施加軸向載荷后，螺紋牙齒根處產生了應力集中，而第一牙和最后一牙的牙根處的應力集中最為嚴重，因此在施加軸向受拉載荷下，螺紋的第一或最后一個螺紋牙承受了大部分的軸向載荷，失效將會在這里最先開始。

圖6 軸向拉力700 kN、1 100 kN和1 600 kN時接頭Mises應力云圖

圖7、圖8是各螺紋牙齒面接觸壓力和Von Mises應力隨螺紋牙編號的變化曲線。從圖中可以看出，在施加軸向受拉載荷的作用下，嚙合螺紋面的接觸壓力和螺紋牙承載的軸向載荷都呈現兩邊高中間低的馬鞍形，其中第一和最后兩個螺紋牙承擔了大部分的軸向載荷。隨著載荷的增加，大部分增加的載荷都由第一螺紋牙承擔，其余的螺紋牙承擔的載荷增幅并不大。

圖7 不同拉力下的嚙合螺紋面平均Mises應力對比

圖8 不同拉力下各螺紋牙承載面承擔的軸向力分布對比

2.3 上扣+軸向載荷工況模擬結果

圖9是對套管接頭臺肩分別施加過盈量0 mm和0.03 mm，軸向受拉載荷1 100 kN下的螺紋牙承載面上載荷隨螺紋牙編號的變化曲線。從圖中可以看出，當施加0.03 mm的臺肩過盈量后，各螺紋牙齒面軸向載荷有些許增加，且最后兩牙增加最多。因此應控制臺肩過盈量，以減少最后幾顆螺紋牙所承擔的軸向載荷。

圖9 上扣+軸向受拉工況下各螺紋牙承載面上載荷分布

3 結論

1)直連型套管在上扣擰緊工況下，軸向預緊力大部分由螺紋最后幾扣螺紋牙承擔。

2)軸向受拉工況下，各扣螺紋牙承載面所分擔的載荷分布并不均勻，其中第一和最后一扣螺紋牙承擔了大部分的軸向載荷。

3)上扣+軸向載荷工況下，當施加一定的臺肩過盈量后，各螺紋牙齒面軸向載荷有些許增加，且最后兩牙增加最多，應控制過盈量在合理范圍內。