基于正交試驗的氣密特殊螺紋油管接頭密封性能研究

摘要：開發深海油氣需要鉆探大量超深井、大位移井，井下油管需要承受水下復合載荷的綜合作用，這對氣密特殊螺紋油管接頭的密封性能提出挑戰。以99.25 mm×6.45 mm氣密油管特殊螺紋接頭為研究對象，以密封面最大接觸壓力為考核指標，依據ISO 13679標準A系試驗載荷包絡線對正交優化試驗結果進行密封性能分析。分析結果表明：密封面最大接觸壓力影響因素敏感性由大至小的順序為：密封面角度gt;扭矩臺肩角度gt;螺紋承載面角度gt;螺紋錐度gt;螺紋螺距；氣密特殊螺紋油管接頭參數最優組合為密封面角度10°、扭矩臺肩角度-12°、螺紋承載面角度12°、螺紋錐度1∶18、螺紋螺距4.8 mm；優組后油管接頭在ISO 13679標準A系試驗載荷下各加載點密封性能良好。所得結果對氣密特殊螺紋油管結構的進一步優化設計具有指導意義。

關鍵詞：氣密特殊螺紋；油管接頭；密封性能；正交試驗；優化組合

中圖分類號：TE952文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.001

Research on Sealing Performance of Gas-tight Special Thread

Tubing Joint Based on Orthogonal Test

QIN Shuangshuang1， WANG Yingying2，LIU Yundi2， ZHAO Honglin2， LIN Zeqing2

（1. CNOOC Energy Development Equipment Technology Co.， Ltd.，Tianjin 300457，China;

2. College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract：The development of deep-sea oil and gas requires drilling a large number of ultra-deep wells and large displacement wells. The underground tubing needs to bear the combined effect of underwater composite load， which poses a challenge to the sealing performance of gas-tight special thread tubing joints. In this paper， 99.25 mm × 6.45 mm special thread joint of gas-tight tubing is taken as the research object， the maximum contact stress of sealing surface is taken as the evaluation index， and the sealing performance of orthogonal optimization test results is analyzed according to ISO 13679 A series load envelope load. The results show that the sensitivity of the maximum contact stress influencing factors on the sealing surface is as follows ： sealing surface angle＞torque shoulder angle＞thread bearing surface angle＞thread taper＞thread pitch ; The optimal combination of special gas-tight threads is as follows ： sealing surface angle is 10°， torque shoulder angle is -12°， thread bearing surface angle is 12°， thread taper is 1 ∶18， thread pitch is 4.8 mm ; The sealing performance of the optimal combination oil pipe joint at each load loading point is excellent in ISO 13679 A series test. This paper has guiding significance for the further design and optimization of the gas-tight special thread tubing structure.

Key words：gas-tight special thread tubing; tubing joint ;sealing performance ; orthogonal test ;optimal combination

開發深海油氣需要鉆大量的深井、超深井以及大位移井。井下油套管需要承受拉伸、彎曲、內外壓載荷的綜合作用，這對油套管接頭密封性能提出了挑戰，特殊螺紋油套管憑借其優異的密封連接性能在海洋油氣開發中使用的比例越來越高。常規API螺紋油套管由于本身結構存在缺點，導致其連接強度較低，易發生滑脫失效，目前逐步被氣密封性能優異的氣密特殊螺紋油套管所替代。氣密特殊螺紋油管接頭的密封主要通過上扣時金屬與金屬密封面的過盈接觸來實現［1］，所以密封面上接觸壓力的大小成為評價其密封性能的主要標準。張穎［2］通過建立特殊螺紋接頭在動載荷下接觸壓力的力學模型，分析了密封面之間的接觸壓力、密封面摩擦因數對特殊螺紋密封性能的影響，指出密封面結構應優先采用錐面對錐面的密封結構形式。許紅林［3］應用赫茲直接接觸理論建立了特殊螺紋油管接頭接觸壓力計算方法的基本模型，指出密封面上的接觸壓力和接觸長度會對密封性能產生影響。劉源［4］通過建立正交試驗的多層結構模型和層結構矩陣，利用各層矩陣的乘積得出實驗指標值的權矩陣，并計算出影響特殊螺紋油管接頭的各因素、各水平的權重，根據所研究指標值權重大小，確定最優組合方案及各因素對油管接頭性能影響的主次順序。曹銀萍等［5-6］仿真分析了ISO 13679標準B系列載荷包絡線加載路徑下特殊螺紋密封面上的Von Mises應力以及接觸壓力分布，Mises應力表征結構強度，通過應力等值線來表示模型內部的應力分布情況，從而可以確定模型中的最危險區域。可見，學者對于特殊螺紋連接的研究大多集中于單一結構密封性能分析，鮮有針對其結構參數優選的研究。為了研究氣密特殊螺紋接頭結構對于密封效果的影響規律，本文通過正交試驗設計，考慮密封面角度、扭矩臺肩角度、螺紋螺距、螺紋錐度、螺紋承載面角度對密封面最大接觸壓力的影響，最后基于ISO 13679標準A系列載荷試驗評價體系對優化后氣密特殊螺紋油管接頭的密封性能進行分析。

1氣密特殊螺紋油管結構

氣密特殊螺紋油管接頭的密封依靠密封面的接觸、扭矩臺肩的接觸以及由特殊螺紋之間公扣和母扣的接觸實現多區域密封。主要密封機理為金屬和金屬之間的過盈配合，接觸面之間的接觸壓力越大，其密封能力越強。油管螺紋接頭二維結構如圖1所示，特殊螺紋油套管密封結構主要靠錐面-錐面接觸實現，扭矩臺肩僅起到輔助密封的作用，所以密封面處的接觸壓力大小及其分布情況直接決定了該油管接頭的密封性能。該油管螺紋樣式為偏梯形螺紋，由于具有一定角度的承載面和導向面結構，采用偏梯形螺紋的油管接頭可以承受較大的拉伸和壓縮載荷。同時公接頭螺紋導向面的螺紋牙頂部圓弧部分的半徑要大于承載面螺紋牙的圓弧半徑，有益于油管接頭上扣操作［7-10］。

2有限元模型

本文研究對象為99.25 mm×6.45 mm氣密特殊螺紋油管接頭，材料為P110，通過ABAQUS進行有限元分析，涉及到接觸問題求解時采用罰函數法。油管接頭所用材料屬性如表1所示。

為了保證計算精度，同時提高收斂速度，采用CPS4平面類型單元網格，對螺紋和密封面接觸部分網格進行加密處理，如圖2所示。

3氣密特殊螺紋油套管接頭正交優化試驗

3.1正交優化試驗設置

氣密特殊螺紋油管密封性能受其結構多參數的影響，在進行模擬仿真分析時應綜合考慮各參數的組合影響［11］。為探究影響氣密特殊螺紋油管接頭性能的關鍵參數，本文針對特殊螺紋油管結構的5個參數：密封面角度、扭矩臺肩角度、螺紋螺距、螺紋錐度、螺紋承載面角度進行5因素5水平正交優化分析［12］。試驗指標為復合載荷下的氣密特殊螺紋接頭密封面處最大接觸壓力，接觸壓力越大，密封性能越好， 分析時對模型施加轉矩4 300 N·m、溫度180 ℃、拉伸載荷259.23 kN。表2根據工程設計經驗給出了各參數的試驗水平值。

根據正交試驗原理，設計氣密特殊螺紋正交優化5因素5水平的試驗表，完整試驗設置和密封面最大接觸壓力值如表3所示。

3.2正交試驗結果分析

為研究氣密特殊螺紋油管接頭各試驗參數對接頭密封性能的影響程度，對仿真模擬的試驗結果進行極差分析。定義變量Kij、kij、Rj，Kij表示第j因素i水平的的所有試驗結果的總和，kij是Kij的平均值。依據Kij的大小表征j因素i水平的應力總和，Kij最大時，所對應的j因素i水平組合是最優解。通過此方法，可以找出所有因素的最優水平，即可得到密封面最佳接觸壓力的最優組合。Rj表示第j因素的極差，即第j因素各水平值的最大差值：

Rj=max（kaj，kbj，…，kij）-min（kaj，kbj，…，kij）（1）

在本次正交試驗中，Rj表征第j因素的水平變動時，氣密特殊螺紋密封面處最大接觸壓力的波動程度。Rj值越大，表示j因素變化時氣密特殊螺紋油管密封面最大接觸壓力變化幅度越大。因此依據Rj的大小就可以判斷各因素對于螺紋密封性能影響的敏感順序［13］。根據表3中的正交試驗結果，以密封面最大接觸壓力作為評價指標，分析得到表4。

由表4的正交試驗分析結果可知，不同因素的應力極差之間存在比較明顯的區別，密封面角度對應的接觸壓力極差最大，螺紋螺距對應的接觸壓力極差最小，說明密封面角度對接頭的密封性能影響最大，螺紋螺距對接頭的影響最小。對密封面最大接觸壓力影響敏感度由大至小的因素為：密封面角度gt;扭矩臺肩角度gt;螺紋承載面角度gt;螺紋錐度gt;螺紋螺距。根據Rj的值可以看出，密封面角度的變化對密封面最大接觸壓力的變化影響最大，其次是扭矩臺肩角度、螺紋承載面角度、螺紋錐度、螺紋螺距。同時，a水平下的kaj最大，所以選取密封面角度10°為最優。同理，選取扭矩臺肩角度-12°、螺紋承載面角度12°、螺紋錐度1∶18、螺紋螺距4.8 mm為最優形成特殊螺紋油管接頭參數最優組合。

4ISO 13679載荷包絡線試驗

依據2002年發布的《ISO13679石油天然氣工業-套管及油管螺紋連接試驗程序》［14］對優化后的特殊螺紋結構的密封性能進行評價分析，鑒于ISO 13679全尺寸實物試驗的成本高、試驗周期長，且國內具備試驗資質的單位較少。本文依據ISO試驗要求，通過有限元法對油管接頭的密封性能進行評價分析。

4.1ISO 13679油管接頭試驗程序

CAL（接頭性能評價指標）在ISO 13679中規定油管接頭適用等級分為CAL Ⅰ、CAL Ⅱ、CAL Ⅲ、CAL Ⅳ共4級，本文選取最嚴苛服役環境的CAL Ⅳ級進行油管接頭密封性能測試［15］。

試驗載荷加載路徑測試系列分為A系試驗（室溫下拉伸/壓縮和內壓/外壓循環試驗）、B系試驗（室溫下拉伸/壓縮、內壓和彎曲循環試驗）和C系試驗（拉伸和內壓下熱循環試驗）。本文采用最常用的A系試驗，其載荷加載路徑如圖3所示。圖中VME 100%表示100%屈服強度載荷包絡線，VME 95%表示95%屈服強度載荷包絡線，試驗載荷點所在的曲線為推薦試驗載荷路徑，當油管接頭的壓縮效率與管體相同時，載荷點8和載荷點9位于同一位置。

按照ISO 13679附錄B中給出的載荷包絡線計算方法，得到本試驗中采用的油管接頭A系試驗載荷，如表5所示。

4.2密封性能分析

綜合考慮圖3和表5中內壓、外壓施加情況，將載荷點分為施加內壓的第一、二象限載荷點和施加外壓的第三、四象限載荷點，第一、二象限內包含載荷1～7，第二象限內包含載荷8～14。沿著密封面到扭矩臺肩方向選取等距節點，提取此處Mises應力和接觸壓力的數值，油管接頭主要密封結構節點位置如圖4所示，節點1～4位于密封面上，節點5位于接頭鼻尖處，節點6～10位于扭矩臺肩部分。

圖5表示第一、二象限內密封面-扭矩臺肩處節點Mises應力值，所有載荷工況對應的最大Mises應力值均小于屈服強度758 MPa，均不會發生塑性變形。載荷1～4內壓逐漸增加，各對應節點處的Mises應力值也對應增大。由于軸向載荷施加的方向不同，施加拉伸載荷1～ 4時應力最小值的點和施加壓縮載荷5～7時應力最大值的點均位于節點5即鼻尖處，這說明軸向載荷的方向直接影響鼻尖處應力大小。

圖6表示第一、二象限內密封面-扭矩臺肩處節點接觸壓力值，由于節點2～4的應力曲線相對比較一致，說明在密封面處的接觸壓力比較穩定。位于扭矩臺肩處的節點6因為軸向載荷的施加方向發生改變，使其接觸壓力值發生劇烈變化。載荷1因為未施加內壓，整體接觸壓力值小于其他載荷，在同時施加軸向拉伸載荷施的條件下，接觸壓力隨著內壓的增大而增大，內壓在此范圍內有助于氣密特殊螺紋接頭的密封。整體來看，扭矩臺肩處的總體接觸壓力值明顯小于密封面處接觸壓力值，驗證了扭矩臺肩僅能起到輔助密封作用的結論。

圖7表示第三、四象限內密封面-扭矩臺肩處節點Mises應力值，從圖7中可以看出，所有載荷工況對應的最大Mises應力值也均小于屈服強度，均不會發生塑性變形。密封面上總體Mises應力值略大于扭矩臺肩處應力值，未施加外壓的載荷8和9對扭矩臺肩處產生Mises應力值明顯小于其余外壓條件下的應力值，載荷13和14由于有軸向拉力，使臺階處總體應力值偏小。說明密封面承擔主要密封作用，扭矩臺肩處應力受到外壓的影響，施加外壓可以增加扭矩臺肩處應力，同時軸向壓力對密封面Mises應力有一定影響，軸向拉力會降低扭矩臺肩處應力值。

圖8表示第三、四象限內密封面-扭矩臺肩處節點接觸壓力值，相較于圖7節點Mises應力曲線，接觸壓力曲線較為規律，密封面處接觸壓力隨著節點逐漸減小，節點4、5、6處接觸壓力最小，扭矩臺肩處（節點6～10）接觸壓力先增大后減小，存在1個較大值點，說明外壓對扭矩臺肩處接觸壓力有影響，外壓越大接觸壓力越大。在載荷8、9和載荷10、11的作用下，節點1的接觸壓力明顯偏大，說明壓縮載荷是使節點1接觸壓力值偏大的主要原因。

5結論

1）研究了氣密特殊螺紋油管接頭在復合載荷工況下的密封特性，以密封面處最大接觸壓力為評價指標，綜合考慮5個結構參數：密封面角度、扭矩臺肩角度、螺紋螺距、螺紋錐度、螺紋承載面角度，進行5因素5水平正交優化試驗，得到氣密特殊螺紋油管接頭結構參數的優化組合。

2）油管接頭各結構參數對密封面最大接觸壓力影響的敏感程度由大至小的順序為密封面角度gt;扭矩臺肩角度gt;螺紋承載面角度gt;螺紋錐度gt;螺紋螺距。

3）特殊螺紋油管接頭參數最優組合為密封面角度10°、扭矩臺肩角度-12°、螺紋承載面角度12°、螺紋錐度1∶18、螺紋螺距4.8 mm。采用優化參數的接頭在所有載荷工況下的最大Mises應力值均小于屈服強度。

4）優化組合參數油管接頭在ISO 13679標準A系試驗載荷下各加載點密封性能良好。A系載荷包絡線第一、二象限內，同時施加軸向拉伸載荷的條件下，內壓有助于氣密特殊螺紋接頭的密封；三、四象限內，相較于節點Mises應力曲線，接觸壓力曲線較為規律;外壓對扭矩臺肩處接觸壓力有影響，外壓越大接觸壓力越大，壓縮載荷是使接觸壓力值偏大的主要原因。扭矩臺肩處的接觸壓力值明顯小于密封面處的接觸壓力值，扭矩臺肩僅能起到輔助密封作用。

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