特殊螺紋接頭密封性能數(shù)值仿真分析

董國(guó)艷,孫建安,高 展

(1.中石化西北油田分公司,新疆 烏魯木齊 830011;2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999)

隨著我國(guó)油氣田勘探開(kāi)采工程技術(shù)的不斷發(fā)展,以及復(fù)雜井況環(huán)境的不斷出現(xiàn),油田對(duì)石油管接頭的密封性能提出更高的需求,而傳統(tǒng)的API螺紋接頭由于自身結(jié)構(gòu)缺陷無(wú)法滿足。特殊螺紋接頭由于具有更高的連接強(qiáng)度和更好的密封性能,滿足管柱在復(fù)雜井況下的拉伸壓縮、內(nèi)壓外擠、彎曲、高溫和腐蝕等苛刻載荷條件,因此在油氣開(kāi)采中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。特殊螺紋接頭主要由3部分構(gòu)成:齒形、密封結(jié)構(gòu)和擰接控制臺(tái)肩[3],其中密封結(jié)構(gòu)起到主密封作用,臺(tái)肩結(jié)構(gòu)在某些條件下起到次密封作用[4-6]。密封性能受到各自結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響,這些參數(shù)之間互相作用影響,并且存在耦合關(guān)系。

有限元數(shù)值分析方法是一種高效率的分析工具,在石油管領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7-11]。借助仿真手段可以完成螺紋接頭在不同載荷工況下的性能數(shù)值分析,完成試驗(yàn)參數(shù)驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]。魯碧為等[13]通過(guò)建立全尺寸模型研究了上扣和拉伸條件下螺紋過(guò)盈量對(duì)特殊螺紋接頭性能的影響,發(fā)現(xiàn)小過(guò)盈量影響不大,并且隨著過(guò)盈量進(jìn)一步增加密封面接觸壓力下降。

在實(shí)際應(yīng)用中,由于螺紋部分接觸狀態(tài)復(fù)雜且網(wǎng)格較多,導(dǎo)致計(jì)算耗時(shí)過(guò)多且不易收斂,往往會(huì)影響對(duì)接頭密封面數(shù)據(jù)的分析。為此,本文以φ88.90 mm×6.45 mm規(guī)格某扣型為例,通過(guò)建立簡(jiǎn)化模型,消除螺紋配合的影響,提高分析效率,快速高效地利用有限元仿真軟件研究了密封面過(guò)盈量、材料和溫度在上扣和加載條件下對(duì)密封面性能的影響。

1 模型建立

根據(jù)給定的特殊螺紋接頭幾何尺寸建立半尺寸有限元離散模型(劃分網(wǎng)格),見(jiàn)圖1。

圖1 特殊螺紋接頭的有限元模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of FE model for premium connections

在特殊螺紋接頭實(shí)際上扣中,通過(guò)螺紋嚙合、旋入實(shí)現(xiàn)公母接頭密封面及臺(tái)肩面的接觸和抵靠,形成密封面和臺(tái)肩面之間的壓縮載荷,該載荷提供了接頭密封性能基礎(chǔ)。本文為了更清晰地量化過(guò)盈量、材料、溫度等不同因素影響,在設(shè)置過(guò)程中省略了螺紋結(jié)構(gòu),通過(guò)人為管端施加壓縮載荷替代螺紋嚙合、旋入的過(guò)程,模擬實(shí)際工況中螺紋旋入提供密封部位壓縮載荷。采用這種方式可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的壓縮載荷變化,更精確地量化上扣過(guò)程中密封面的變化狀態(tài)。

有限元分析中材料應(yīng)力—應(yīng)變采用實(shí)際拉伸試驗(yàn)中得到的工程應(yīng)力應(yīng)變,并換算為真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變。有限元計(jì)算的載荷邊界條件主要包括對(duì)外螺紋模型施加軸向位移,內(nèi)螺紋模型上端軸向位移約束,另外在外螺紋內(nèi)螺紋密封面接觸位置設(shè)置接觸對(duì)。

模型中通過(guò)對(duì)外螺紋管端施加位移模擬特殊螺紋接頭上扣和承載狀態(tài),通過(guò)不同的位移量大小對(duì)應(yīng)不同的載荷施加情況。分析結(jié)束提取管端約束反力得到載荷施加數(shù)據(jù),提取密封面接觸壓力,獲得不同狀態(tài)的密封面接觸壓力積分值[14]。

在不同密封過(guò)盈分析中,以表1所示的密封面過(guò)盈量設(shè)計(jì)為例,從每個(gè)密封面過(guò)盈量的設(shè)計(jì)區(qū)間選取一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)盈量參數(shù)值,計(jì)算同一結(jié)構(gòu)不同公差的密封面接觸壓力積分值。建模過(guò)程針對(duì)不同配合尺寸分別建立了不同的模型用于對(duì)比分析。

表1 密封面公差過(guò)盈量設(shè)計(jì)區(qū)間Table 1 Design interval for tolerance of sealing interference

在不同材料分析中,基于一種選定結(jié)構(gòu),選取110S、N80Q、13Cr-110這3種常用材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析;在溫度影響分析中,對(duì)比了室溫和180 ℃高溫條件下的相同特殊螺紋接頭的密封性能變化。

通過(guò)這種分析模型的建立,減少了計(jì)算時(shí)間,提升了分析效率,可以快速、高效地對(duì)不同特性特殊螺紋接頭密封性能給出分析結(jié)果和判斷,從而有助于快速完成特殊螺紋產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用分析。

分析過(guò)程中對(duì)接頭密封性能的評(píng)價(jià)主要依賴于加權(quán)接觸強(qiáng)度。加權(quán)接觸強(qiáng)度是在接觸強(qiáng)度基礎(chǔ)上對(duì)接觸應(yīng)力進(jìn)行加權(quán)并結(jié)合Murtagian等的研究成果確定的密封性能評(píng)價(jià)公式,見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:Wa為加權(quán)接觸強(qiáng)度;σc為密封面接觸應(yīng)力;l為密封面接觸長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)盈量影響分析

扣型A在室溫條件、材料110S狀態(tài)下3種不同過(guò)盈量公差的密封面接觸壓力積分值如圖2所示。可以看出,H-H公差接頭密封面上的接觸壓力積分值是最大的,L-L公差接頭密封面上的接觸壓力積分值是最小。

在抓好核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，要加大招商引資力度，積極引進(jìn)和培育具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、帶動(dòng)能力強(qiáng)的龍頭企業(yè)，提高核桃深加工能力，挖掘核桃的潛在經(jīng)濟(jì)效益，不斷拉長(zhǎng)核桃生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈條，逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、加工、銷售一體化，提高經(jīng)濟(jì)效益。全縣4266.7hm2核桃進(jìn)入盛果期后，每年核桃干果總產(chǎn)量將達(dá)到1800×104kg以上。除部分用于直接食用外，絕大部分需進(jìn)行深加工。因此，大荔縣必須引入或建立龍頭加工企業(yè)以解決核桃銷路。

圖2 扣型A 110S材質(zhì)不同過(guò)盈下室溫密封面接觸壓力積分值Fig.2 Contact intensity of the sealing surface at room temperature under different interference of connection A with 110S material

室溫條件中,材料為110S的接頭在3種不同過(guò)盈量公差下的臺(tái)肩面接觸壓力積分值如圖3所示。可以看出,L-L公差接頭臺(tái)肩面上的接觸壓力積分值最大,H-H的最小。

圖3 扣型A 110S材質(zhì)不同過(guò)盈下室溫臺(tái)肩面接觸壓力積分值Fig.3 Contact intensity of the shoulder surface at the room temperature under different interference of connection A with 110S material

對(duì)比圖2和圖3,當(dāng)加載392 kN(即40 t)的軸向載荷時(shí),L-L公差臺(tái)肩面上的接觸壓力積分值是密封面上的接觸壓力積分值的5.9倍,而H-H公差臺(tái)肩面上的接觸壓力積分值只是密封面上的接觸壓力積分值的3.0倍。由此表明,相同加載狀態(tài)下大過(guò)盈配合密封面受力更大。

圖4為室溫條件下,材料為110S的接頭在3種不同過(guò)盈量公差下密封面+臺(tái)肩面接觸壓力積分值。從圖4可以看出,L-L公差接頭密封面+臺(tái)肩面上的接觸壓力積分值最大,H-H的最小,三者總體相差不大。

圖4 扣型A 110S材質(zhì)不同過(guò)盈下室溫密封面+臺(tái)肩面接觸壓力積分值Fig.4 Total contact intensity at the room temperature under different interference of connection A with 110S material

從分析結(jié)果可以看出,在施加載荷一定情況下,不同配合條件特殊螺紋接頭密封面+臺(tái)肩面的累計(jì)受力相差不大,但不同的配合條件造成了密封面受力狀態(tài)的變化:在大過(guò)盈狀態(tài)下密封面受力更大,從而能保證更好的密封效果。這一分析結(jié)果與常規(guī)設(shè)計(jì)理念吻合。

2.2 材料影響分析

圖5為室溫條件扣型A接頭在N-N過(guò)盈量條件下,3種材料110S、N80Q、13Cr-110 密封面上的接觸壓力積分值。材料性能取值見(jiàn)表2。從圖5可以看出,13Cr-110接頭密封面上的接觸壓力積分值大于110S的,N80Q的最小。

表2 模型中不同材料性能取值Table 2 Performance values of different materials in the model

圖5 同一接頭結(jié)構(gòu)不同材料接頭的密封面接觸壓力積分值Fig.5 Contact intensity on sealing surfaces of joints made of different materials with the same joint structure

圖6為室溫條件接頭在N-N過(guò)盈量條件下,3種材料110S、N80Q、13Cr-110的接頭臺(tái)肩面上的接觸壓力積分值。從圖6可以看出,3種材料接頭臺(tái)肩面上的接觸壓力積分值接近,13Cr-110接頭密封面上的接觸壓力積分值大于110S的,N80Q的最小。

圖6 同一接頭結(jié)構(gòu)不同材料接頭的臺(tái)肩面接觸壓力積分值Fig.6 Contact intensity on shoulder surfaces of joints made of different materials with the same joint structure

對(duì)比圖5和圖6,圖5是不同材料條件下密封面部位的接觸壓力積分,可以發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)對(duì)接頭密封性能有一定影響;圖6是不同材料條件下臺(tái)肩部位的接觸壓力積分,分析結(jié)果顯示不同材質(zhì)差異不明顯。從這里可知,不同材料對(duì)密封性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)密封面的影響上,并且材料性能對(duì)密封的影響小于材料強(qiáng)度本身的變化。

圖7為室溫時(shí)接頭在N-N過(guò)盈量條件下,110S、N80Q、13Cr-110的密封面+臺(tái)肩面接觸壓力積分值。可以看出,13Cr-110接頭總接觸壓力積分值大于110S的,N80Q的最小。

圖7 同一接頭結(jié)構(gòu)不同材料接頭的接觸壓力積分值Fig.7 Total contact intensity of joints made of different materials with the same joint structure

從上述分析可知,不同材質(zhì)對(duì)特殊螺紋接頭接觸性能影響是確定的,相同結(jié)構(gòu)下高強(qiáng)度材質(zhì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力相應(yīng)增大。

2.3 溫度影響分析

圖8～10分別為同一接頭結(jié)構(gòu)(扣型A),密封公差為N-N、材料為110S接頭密封面上、臺(tái)肩面上及密封面+臺(tái)肩面上的接觸壓力積分計(jì)算結(jié)果。

圖8 扣型A在不同溫度下的密封面接觸壓力積分值Fig.8 Contact intensity on sealing surfaces of connection A at different temperatures

圖9 扣型A在不同溫度下的臺(tái)肩面接觸壓力積分值Fig.9 Contact intensity on shoulder surfaces of connection A at different temperatures

圖10 扣型A在不同溫度下的接觸壓力積分值Fig.10 Total contact intensity of connection A at different temperatures

從圖8～10可以看出:180 ℃高溫下密封面的接觸壓力積分值低于室溫下密封面的接觸壓力積分值;高溫下臺(tái)肩面的接觸壓力積分值略高于室溫下臺(tái)肩面的接觸壓力積分值(軸向載荷小于245 kN即25 t時(shí)),總體而言,室溫下接觸壓力積分值略高于高溫下接觸壓力積分值。從分析結(jié)果看,溫度對(duì)接頭性能影響并不明顯。結(jié)合既往ISO13679等標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法數(shù)據(jù),在現(xiàn)有的評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,更加側(cè)重高溫條件下的密封性能評(píng)價(jià)的C系試驗(yàn)發(fā)生泄漏很罕見(jiàn),而更加側(cè)重內(nèi)壓、外壓載荷的A系或B系試驗(yàn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)更高,這一定程度上說(shuō)明溫度并未像預(yù)期那樣直接影響接頭密封性能。

3 結(jié)論

(1) 分析了同一接頭結(jié)構(gòu)不同公差的接頭接觸壓力狀態(tài),結(jié)果可知,在施加載荷一定情況下,不同配合條件特殊螺紋接頭密封面+臺(tái)肩面的累計(jì)受力相差不大,但不同的配合條件造成了密封面和臺(tái)肩面的受力分配的變化:大過(guò)盈狀態(tài)下密封面受力更大而臺(tái)肩受力更小。因此在合理尺寸范圍內(nèi)盡量增加密封面過(guò)盈狀態(tài),將有助于提升接頭密封性能。

(2) 分析室溫下同一接頭結(jié)構(gòu)、不同接頭材料接頭接觸壓力的計(jì)算結(jié)果可知,同一軸向載荷條件下,不同密封面公差下的接觸壓力積分值為:13Cr-110>110S>N80Q,相同結(jié)構(gòu)下高強(qiáng)度材質(zhì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力相應(yīng)增大。

(3) 分析同一結(jié)構(gòu)、相同材料接頭在不同溫度下接觸狀態(tài),室溫下接觸壓力積分值略高于高溫下接觸壓力積分值。