高速沖擊下特殊螺紋接頭動態(tài)響應(yīng)特性研究*

苑清英，晁利寧，余 晗，楊曉龍，汪 強(qiáng)，年晨陽

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；3.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，西安 710065；4.寶雞鋼管西安專用管公司，西安 710200）

0 前 言

隨著我國對油氣資源需求的日益增大，油氣田的開采已經(jīng)向更深層、更苛刻的井況發(fā)展。目前國內(nèi)低壓、低滲透、稠油熱采、高含硫天然氣以及頁巖氣井開采量逐年升高，這些資源的勘探開發(fā)利用難度大，對油套管柱的要求也越來越高[1]。特殊螺紋接頭就是針對這些苛刻井況開發(fā)的油井管產(chǎn)品[2]。

與傳統(tǒng)的API螺紋相比，特殊螺紋接頭具有連接強(qiáng)度高、密封性能好的優(yōu)點(diǎn)，滿足拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓以及扭轉(zhuǎn)等油田復(fù)雜載荷工況[3]。在這些苛刻條件下，檢驗(yàn)特殊螺紋的密封性能顯得尤為重要。通常工程上應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室復(fù)合加載評價系統(tǒng)，來模擬油田工況[4]，然而在試驗(yàn)過程中，復(fù)合加載設(shè)備由于焊接端塞的斷裂，引起的巨大反沖擊力是否對特殊螺紋的密封性能造成影響，是否會造成接頭泄漏，實(shí)驗(yàn)室模擬比較困難，也難以定量衡量[5]。鑒于此，數(shù)值模擬仿真技術(shù)成為解決該問題的有效手段，利用有限元仿真，不但可以模擬端塞斷裂后造成的沖擊載荷對特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)的影響，定量分析所關(guān)注的結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，而且可以對特殊螺紋接頭不斷優(yōu)化和改進(jìn)，從而降低試驗(yàn)頻率，縮短試驗(yàn)周期，對節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要的意義[6]。

本研究采用Abaqus/Expilct 顯式求解器，對受沖擊載荷并且發(fā)生復(fù)雜相互接觸作用的特殊螺紋接頭進(jìn)行瞬間動態(tài)響應(yīng)分析，定量分析沖擊載荷對密封面接觸壓力的影響，為特殊螺紋接頭的設(shè)計和優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)室試制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持[7-10]。

1 有限元分析

1.1 分析對象

本研究選用的特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用的是球面對錐面金屬過盈的密封形式，臺肩處采用負(fù)角度結(jié)構(gòu)形式，連接螺紋為BJC型，套管規(guī)格為Φ114.3 mm×8.56 mm（接箍直徑133.35 mm），鋼級為P110，其材料參數(shù)見表1。

表1 P110套管材料性能參數(shù)

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基本假設(shè)

特殊螺紋接頭是一個復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，三維模型可以較好地模擬管體擰入接箍從而實(shí)現(xiàn)連接的過程，真實(shí)地反映螺紋空間分布以及螺旋升角。但是由于特殊螺紋三維模型網(wǎng)格數(shù)量多且接觸復(fù)雜，計算效率低，精度較差，難以滿足工程實(shí)際應(yīng)用的需要。

本研究采用2D 軸對稱模型進(jìn)行分析，對有限元模型進(jìn)行幾點(diǎn)假設(shè)和簡化：①管體和接箍二者均為各向同性材料；②忽略連接螺紋的螺旋升角的影響。

1.3 網(wǎng)格剖分

采用彈塑性非線性模型對其進(jìn)行網(wǎng)格剖分。管體和接箍均選用四節(jié)點(diǎn)軸對稱單元，管體總單元數(shù)為75 219 個，接箍總單元數(shù)為83 760 個。管體底端約束軸向位移，接箍和管體過盈配合。

1.4 邊界條件及載荷施加

（1）由于模型具有對稱性，其接箍的中心面軸向位移為0，在接箍中心面上施加軸向位移約束，如圖2所示。

圖2 邊界條件及載荷施加

（2）在上卸扣的基礎(chǔ)上，利用載荷幅值曲線模擬沖擊效應(yīng)，在短時間內(nèi)進(jìn)行加載并卸載，分析管體以及接箍密封面處的應(yīng)力應(yīng)變、接觸壓力以及載荷時間歷程曲線，并觀察管體和接箍密封面的動態(tài)響應(yīng)。

2 非線性動力學(xué)有限元模型計算

特殊螺紋接頭焊接端塞在做復(fù)合加載試驗(yàn)時突然斷裂，管體受持續(xù)時間較短的沖擊載荷時，巨大的反沖擊力對接頭結(jié)構(gòu)變形造成一定的影響，因此必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何大變形對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，也就是幾何非線性影響[11]。對于高速沖擊問題即非線性動力學(xué)，采用顯式積分法更加合適。顯式積分法主要求解應(yīng)力波傳遞問題，介質(zhì)受到初始擾動后，其邊界或者內(nèi)界的某個小區(qū)域會逐漸向介質(zhì)內(nèi)部或者周圍進(jìn)行傳播[12]。顯式積分法采用一次一個單元的方式擴(kuò)展，在求解過程中不需要求解切線剛度矩陣，不需要進(jìn)行復(fù)雜的迭代求解，耗費(fèi)時間較少，且容易收斂，計算效率高。

非線性動力學(xué)分析求解的基本方程為

式中：M——質(zhì)量矩陣；

I——粘性效應(yīng)項(xiàng)（考慮阻尼、粘塑、粘彈等效應(yīng)）；

C——阻尼矩陣；

K——剛度矩陣；

P(t)——外部激勵作用；

u(t)——節(jié)點(diǎn)位移向量。

ABAQUS中顯式動力學(xué)分析采用直接積分法求解上述方程，也就是按照時間歷程對上述微分方程直接進(jìn)行數(shù)值積分。考慮到非線性效應(yīng)動力學(xué)問題，需要對動力學(xué)方程進(jìn)行直接時間積分。

（1）節(jié)點(diǎn)計算[13]動力平衡方程

對時間顯式積分

（2）單元計算

匯集節(jié)點(diǎn)內(nèi)力It+Δt，設(shè)置t+ Δt為t，返回到步驟1。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 等效應(yīng)力及接觸壓力分布

對于管體受到高速沖擊，采用*Dynamic,Explicit分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 等效應(yīng)力分布云圖

從圖3可以看出，管體受到?jīng)_擊載荷的時候，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在接箍的第三牙處，最大值為913 MPa。密封面處應(yīng)力均不大，為335～552 MPa。

密封面及臺肩處接觸壓力分布如圖4所示。受到?jīng)_擊載荷的時候，最大接觸壓力出現(xiàn)在臺肩處，其最大值為2 476 MPa。密封面處接觸壓力分布范圍為184～393 MPa。

3.2 密封面處接觸壓力對比

為了定量分析受高速沖擊前后密封面處的接觸壓力大小，選擇密封面處的一條路徑PATH1（如圖5所示）進(jìn)行應(yīng)力對比，對比結(jié)果如圖6所示。

圖5 密封面處的的路徑PATH1

圖6 密封面PATH1處接觸壓力對比

從圖6可以看出，受到?jīng)_擊載荷后，密封面處接觸壓力出現(xiàn)振蕩，數(shù)值升高后又突然降低，受到?jīng)_擊載荷后密封面接觸壓力的最大點(diǎn)位置發(fā)生了變化，得出最大接觸點(diǎn)前移，而且數(shù)值也發(fā)生了變化，最大值為418.5 MPa。上扣完成后整個接觸位置壓力變化比較平滑，最大接觸點(diǎn)出現(xiàn)在0.8 mm 處，最大接觸壓力為397.2 MPa。相對來說，受到?jīng)_擊載荷后，接觸壓力略有升高，但是變化幅度不大。

密封面處的節(jié)點(diǎn)位移如圖7所示，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，受到?jīng)_擊載荷后密封面處的節(jié)點(diǎn)位移普遍增大，比上完扣后的位移增大0.025 mm左右，說明沖擊載荷對密封面處節(jié)點(diǎn)的位置有一定的影響。

圖7 密封面PATH1處位移對比

密封面處等效應(yīng)力對比如圖8所示，對比受沖擊載荷和上扣完成后的等效應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，由于沖擊載荷的影響，密封面處的等效應(yīng)力普遍高于上扣完成后的等效應(yīng)力，但是兩者的趨勢基本一致。這是由于上扣完成后的等效應(yīng)力主要是由于過盈所造成的應(yīng)力，而在短時間內(nèi)受到?jīng)_擊載荷，再加上過盈配合，應(yīng)力的疊加會導(dǎo)致等效應(yīng)力升高。

圖8 密封面PATH1處等效應(yīng)力對比

在沖擊載荷作用之后，徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力跟上扣完成后的徑向、軸向應(yīng)力分布趨勢基本保持一致。可以看出，受沖擊載荷的等效應(yīng)力主要是由軸向應(yīng)力造成的，軸向應(yīng)力占主導(dǎo)地位。

3.3 臺肩處接觸壓力對比

對臺肩處的接觸壓力、位移以及等效應(yīng)力進(jìn)行分析，沿著PATH2路徑（如圖9所示）進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，由于管體受到軸向的沖擊載荷，沖擊載荷會使管體產(chǎn)生振動，因此在沖擊載荷的作用下，臺肩處的接觸壓力不是持續(xù)的變化，而是有一定的波動。臺肩在軸向沖擊力的作用下接觸壓力普遍高于上扣后的接觸壓力，其中最大接觸壓力達(dá)到1 310 MPa，而同樣的接觸位置，上扣后的接觸壓力為614 MPa，在整個臺肩接觸面上，接觸壓力普遍均勻，曲線比較光滑，波動較小。

圖9 臺肩密封處的路徑PATH2

圖10 臺肩處沿路徑PATH2接觸壓力對比

臺肩處軸向位移對比如圖11所示，從圖11可以看出，受到?jīng)_擊載荷后臺肩處的節(jié)點(diǎn)位移普遍增大，比上完扣后的位移增大0.054 mm左右，說明沖擊載荷對密封面處節(jié)點(diǎn)的位置有一定的影響。

圖11 臺肩處沿路徑PATH2軸向位移對比

臺肩處應(yīng)力對比如圖12 所示，從圖12可以看出，受沖擊載荷后的等效應(yīng)力比上扣后的等效應(yīng)力大，受沖擊載荷后臺肩處的軸向應(yīng)力處于主導(dǎo)作用，同時臺肩處還受到徑向應(yīng)力的作用，此處的軸向應(yīng)力普遍要比上扣后的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力高，應(yīng)力的趨勢基本一致。受沖擊后臺肩處的最大等效應(yīng)力為758 MPa，上扣后臺肩處的最大等效應(yīng)力為426 MPa。

圖12 臺肩處沿PATH2處應(yīng)力對比

能量變化歷程能夠真實(shí)地反映試驗(yàn)中沖擊對特殊螺紋結(jié)構(gòu)的影響。圖13 和圖14 分別為動能和內(nèi)能隨時間變化曲線。

圖13 動能隨時間變化曲線

圖14 內(nèi)能隨時間變化曲線

從圖13可以看出，此結(jié)構(gòu)假設(shè)無阻尼存在，因此結(jié)構(gòu)會以恒定的振幅持續(xù)振動，而且振動會隨著時間的增加趨于停止，在幾十次振動后，振動便消失了，發(fā)生的能量損失主要是由于摩擦效果造成的。在默認(rèn)情況下，總存在體粘性阻尼，但是由于體粘性阻尼很小，所以振動會持續(xù)很長一段時間。

同時可以看出，在整個結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷時，結(jié)構(gòu)動能總是上下波動，而且在有效時間內(nèi)，波動并沒有停止，因此，這種情形在圖6中表現(xiàn)為密封面處接觸壓力出現(xiàn)波動，波動趨勢跟動能的波動趨勢一致，剛開始動能很大，隨著時間的進(jìn)行，由于摩擦力的損耗，能量開始慢慢變小，如果給予足夠長的時間，最終會趨于靜止。

從圖14可以看出，隨著沖擊載荷的作用，內(nèi)能逐漸增大，由于動能的作用，逐步轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)的變化以及阻尼引起的內(nèi)能變化。此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，默認(rèn)阻尼為體粘性阻尼，所以存在一定的能量消耗。

4 結(jié) 論

（1）受到高速沖擊后套管特殊螺紋密封面處接觸壓力產(chǎn)生一些波動，但總體趨勢跟上扣后一致，差別不大。密封面處的節(jié)點(diǎn)位移普遍增大，比上扣后的位移增大0.025 mm 左右，說明沖擊載荷對密封面處節(jié)點(diǎn)的位置有一定的影響。

（2）密封面處的等效應(yīng)力普遍高于上扣完成后的等效應(yīng)力，但是兩者的趨勢基本一致。軸向沖擊作用下臺肩的接觸壓力普遍高于上扣后的接觸壓力，而同樣的接觸位置，在整個臺肩接觸面上，接觸壓力普遍均勻，曲線比較平滑，波動較小。

（3）臺肩處的節(jié)點(diǎn)位移普遍增大，比上扣后的位移增大0.054 mm 左右，說明沖擊載荷對密封面處節(jié)點(diǎn)的位置有一定的影響。

（4）臺肩處等效應(yīng)力比上扣后的等效應(yīng)力大，臺肩處的軸向應(yīng)力處于主導(dǎo)作用，同時受到徑向應(yīng)力的作用，此處的軸向應(yīng)力普遍要比上扣后的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力高，應(yīng)力的趨勢基本一致。

（5）從能量變化歷程可以看出，特殊螺紋接頭整個結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷時，結(jié)構(gòu)的動能總是處于上下波動，密封面處接觸壓力出現(xiàn)波動，波動趨勢跟動能的波動趨勢一致。