特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)比對分析

王建東，馮耀榮，林 凱，秦長毅，宋延鵬

（1.中國石油集團 石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安 710065;2.石油管環(huán)境和力學(xué)行為重點實驗室，陜西西安 710065;3.上海寶山鋼鐵公司，上海 200940）

特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)比對分析

王建東1，2，馮耀榮1，2，林 凱1，2，秦長毅1，2，宋延鵬3

（1.中國石油集團 石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安 710065;2.石油管環(huán)境和力學(xué)行為重點實驗室，陜西西安 710065;3.上海寶山鋼鐵公司，上海 200940）

油套管特殊螺紋密封結(jié)構(gòu)形式是影響密封性能的關(guān)鍵因素之一。采用有限元分析方法對比兩種不同的主密封結(jié)構(gòu)形式——錐面/錐面和弧面/錐面在上扣、拉伸、彎曲及內(nèi)壓加拉伸載荷條件下的接觸壓力、接觸長度及沿主密封面泄漏穿透長度的變化，得到不同型面組合的密封能力隨載荷的變化規(guī)律。得出新的密封準則為:密封接觸表面之間的有效接觸長度大于0.5 mm，接觸壓力最大與最小值之差是內(nèi)壓的5.8倍以上，在有效接觸壓力及長度范圍內(nèi)接觸表面塑性應(yīng)變控制在材料屈服點應(yīng)變范圍內(nèi)，可使密封結(jié)構(gòu)達到抗黏扣和消除密封間隙的目的。實物試驗結(jié)果與數(shù)值模擬吻合較好，表明建立的模型正確，采用的方法合理;有限元模擬結(jié)果顯示拉伸載荷對密封性能的影響顯著高于彎曲載荷的。

接觸壓力;接觸長度;密封結(jié)構(gòu);有限元方法;實物試驗

油套管是油氣鉆采過程中必不可少的專用管材，其質(zhì)量好壞直接影響到鉆采作業(yè)的成敗和油氣井的壽命。90%的氣井管柱損壞是由于油套管的螺紋接頭密封完整性被破壞［1-3］，螺紋接頭是油套管中最薄弱的環(huán)節(jié)，直接影響油氣井的壽命。因此，研究特殊螺紋接頭密封完整性具有重要的現(xiàn)實意義。密封完整性是特殊螺紋研究的難點和重點。特殊螺紋密封由臺肩副密封和管端徑向主密封組成，臺肩端受運輸過程中和現(xiàn)場操作等環(huán)境因素的影響，極易發(fā)生損傷破壞，文獻［4］中規(guī)定，在特殊螺紋試驗前應(yīng)在外螺紋臺肩面刻槽，破壞副密封的作用，以保證井下使用的安全。影響主密封性能的因素較多，密封結(jié)構(gòu)形式是重要因素之一，目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的密封結(jié)構(gòu)形式主要有，錐面/錐面、弧面/錐面、球面/柱面［5-6］等，特別前兩種密封形式在特殊扣密封中應(yīng)用最為廣泛。目前關(guān)于油套管螺紋密封機制的研究有3種觀點:①API提出了密封接觸壓力大于管內(nèi)流體壓力的準則［7-9］;②沿密封接觸長度累積產(chǎn)生的等效接觸壓力確定密封臨界泄漏壓力的準則［10］;③基于能量平衡原理的金屬密封系數(shù)與密封面形狀系數(shù)關(guān)系的密封能力評價準則［11］。筆者采用有限元分析和實物試驗方法對比分析錐面/錐面和弧面/錐面兩種不同的主密封結(jié)構(gòu)形式在相同螺紋結(jié)構(gòu)形式及主密封過盈條件下在上扣、拉伸、彎曲及內(nèi)壓加拉伸載荷不同工況下的接觸壓力、接觸長度及沿主密封面泄漏穿透長度的變化。

1 有限元分析

1.1 特殊螺紋建模

以API偏梯形螺紋公稱尺寸為基礎(chǔ)修正，設(shè)導(dǎo)向面角度為15°，承載面角度為－3°。采用二維軸對稱模型和彈塑性非線性分析模型對規(guī)格為Φ177.8 mm×12.65 mm套管（接箍外徑194.46 mm）的不同密封結(jié)構(gòu)形式（錐面/錐面、弧面/錐面），在不同載荷條件下的密封性能進行了比對分析。依據(jù)圣維南原理，為消除端部約束條件的限制，取管體長度是螺紋全長的3倍，螺紋接頭幾何模型見圖1。采用實體軸對稱四節(jié)點單元劃分網(wǎng)格，見圖2。外螺紋單元數(shù)30 427個，節(jié)點數(shù)31 527個，內(nèi)螺紋單元數(shù)8216個，節(jié)點數(shù)8608個。

圖1 特殊螺紋接頭幾何模型Fig.1 Geometric model of premium connection

圖2 局部網(wǎng)格劃分Fig.2 Local mesh partition

由于螺紋結(jié)構(gòu)的對稱性接箍中面的軸向位移為零，因此在接箍中面上施加軸向位移約束。軸向拉力和內(nèi)壓以分布載荷的形式施加在管體和接箍內(nèi)壁上以及管體端面，見圖3。采用對稱軸與管體端面剛性耦合連接，在其上施加彎曲載荷。

圖3 邊界條件及載荷施加Fig.3 Boundary conditions and applied load

1.2 材料力學(xué)性能

在管體上取3個樣品，實測材料屈服強度、抗拉強度及延伸率，見表1。彈性模量E取210 GPa，泊松比取0.3。

表1 材料力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of materials

以材料實測力學(xué)性能的平均值為基礎(chǔ)，按線性強化彈塑性模型表示材料的真實應(yīng)力和塑性應(yīng)變。

1.3 上扣分析

上扣2圈至臺肩面接觸。切向接觸采用庫倫摩擦定律，用摩擦系數(shù)表示接觸面之間的摩擦特性，API螺紋脂的摩擦系數(shù)一般取0.02［12］。上扣后不同型面密封組合的特殊螺紋mises應(yīng)力云圖見圖4，主密封面接觸壓力和mises應(yīng)力沿接觸長度的分布見圖5，沿接觸長度的等效塑性應(yīng)變見圖6。

圖4 上扣后mises應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of mises stress after make-up

圖5 上扣后主密封面沿接觸長度的應(yīng)力及接觸壓力分布Fig.5 Distribution of stress and contact pressure along contact length on main sealing surface after make-up

圖6 上扣后主密封面接觸長度上等效塑性應(yīng)變Fig.6 Equivalent plasticity strain along contact length on main sealing surface after make-up

由圖4～6可知，上扣后螺紋mises應(yīng)力分布基本一致，不同密封型面的組合應(yīng)力分布有顯著差異，表明特殊螺紋設(shè)計螺紋和密封分別獨立。由于應(yīng)力集中錐面密封內(nèi)螺紋臺肩尖角處的應(yīng)力是弧面的1.5倍，所以錐面密封內(nèi)螺紋臺肩易發(fā)生失效。由于弧面密封是線接觸，最大接觸壓力是錐面的1.86倍，錐面密封接觸長度是弧面的1.75倍。密封面最大接觸壓力位置處，兩者mises應(yīng)力基本一致，錐面的塑性應(yīng)變小于材料的屈服應(yīng)變（0.7%），弧面的塑性應(yīng)變大于材料的屈服應(yīng)變，是錐面的1.63倍，所以弧面/錐面上扣時密封面易發(fā)生黏扣現(xiàn)象。

2 密封性能分析

2.1 拉伸載荷

油套管在下井時首先承受拉伸載荷，尤其是上部靠近井口位置處受拉伸最大，在固井后螺紋接頭仍有較高的預(yù)拉伸載荷存在，在采氣作業(yè)中易造成泄漏。拉伸載荷下主密封最大接觸壓力及長度的變化見圖 7，8。

由圖7，8可知，兩者的最大接觸壓力及長度均隨拉伸載荷的增加而下降，由于弧面是局部線接觸，所以弧面相對于錐面下降得更快，當接觸壓力及長度為零時，錐面是弧面的1.3倍。

圖7 主密封最大接觸壓力隨拉伸載荷的變化Fig.7 Variation of maximum contact pressure on main sealing surface with tensile load

圖8 主密封接觸長度隨拉伸載荷的變化Fig.8 Variation of contact length on main sealing surface with tensile load

2.2 彎曲載荷

油套管在下井時，由于井身軌跡的彎曲狗腿度，使管柱承受彎曲載荷，螺紋接頭表現(xiàn)為受到拉伸和壓縮反對稱載荷的作用，特別拉伸載荷使密封接觸壓力及長度顯著下降。10°/30 m狗腿度范圍內(nèi)，隨狗腿度變化密封接觸壓力及長度的變化見圖9。彎曲產(chǎn)生的等效拉伸載荷與彎曲載荷下最大接觸壓力對比見圖10。

由圖9可知，不同型面的密封在10°/30 m狗腿度內(nèi)，接觸長度均無顯著變化，最大接觸壓力均有下降的趨勢，與上扣初始最大接觸壓力相比弧面密封下降了17%，錐面密封下降了24%。由圖10可知，拉伸與彎曲載荷不同條件下最大接觸壓力比較，弧面密封下降了12%，錐面密封下降了14%。拉伸載荷使接觸壓力顯著下降，弧面與錐面比較，兩者的抗彎曲能力基本一致。

2.3 內(nèi)壓加拉伸載荷

加內(nèi)壓160 MPa時主密封面接觸壓力沿長度的分布見圖11，內(nèi)壓加拉伸載荷至失效時主密封面接觸壓力沿長度的分布見圖12，主密封面泄漏穿透長度隨拉伸載荷的變化見圖13。

由圖11可知，加內(nèi)壓時在有效接觸長度范圍內(nèi)，錐面密封接觸壓力趨于一致，弧面密封仍保持局部高接觸壓力。由圖12可知，高內(nèi)壓加拉伸載荷至失效時，錐面密封為兩點接觸（圖中1，2兩點，1點接觸壓力為21 MPa，位置2.8 mm，2點接觸壓力為943 MPa，位置3.3 mm），有效接觸長度 0.5 mm，接觸壓力差（922 MPa）是內(nèi)壓的5.8倍;弧面密封為點接觸（圖12中3點接觸壓力為748 MPa，位置1.97 mm），有效接觸長度趨近于0。由圖13可知，隨拉伸載荷的增加，流體沿主密封面的穿透長度不斷增加。加拉伸載荷至失效時，弧面/錐面的泄漏穿透長度為1.97 mm，錐面/錐面的泄漏穿透長度為2.8 mm。通過上述分析可知，弧面/錐面的泄漏穿透長度位置處為點接觸，有效接觸長度為0，易發(fā)生滲流泄漏;錐面/錐面的泄漏穿透長度位置處為面接觸，有效接觸長度為0.5 mm，形成兩點接觸高壓差，可以阻止?jié)B流泄漏的發(fā)生。表明錐面/錐面密封具有良好的密封完整性。

圖9 錐面/錐面和弧面/錐面主密封最大接觸壓力及長度隨狗腿度的變化Fig.9 Variation of maximum contact pressure and length on main sealing surface with dogleg angle in cone and cone seal，arc and cone seal

圖10 弧面/錐面和錐面/錐面密封彎曲等效拉伸載荷與彎曲載荷下最大接觸壓力對比Fig.10 Comparison of maximum contact pressure between equivalent tensile load and bending load in arc and cone seal，cone and cone seal

圖11 內(nèi)壓下主密封接觸壓力的分布Fig.11 Distribution of contact pressure along main seal with internal pressure

2.4 實物試驗驗證

對該規(guī)格具有類似螺紋結(jié)構(gòu)形狀密封型面組合為（錐面/錐面）的套管按 ISO:13679［4］試驗方法，經(jīng)上卸扣試驗后，進行高內(nèi)壓加拉伸至失效試驗。加壓介質(zhì)為水，內(nèi)壓加至159.6 MPa保壓15 min，隨后加拉伸總載荷至6728.6 kN時，試樣接箍處發(fā)生斷裂失效，試驗中無黏扣及泄漏現(xiàn)象發(fā)生。失效形式與有限元分析結(jié)果表現(xiàn)形式一致，見圖14。

圖12 內(nèi)壓加拉伸失效時主密封面接觸壓力沿長度的分布Fig.12 Distribution of contact pressure along main seal with internal pressure and tensile load increasing to failure

由圖14可知，拉伸失效時，接箍螺紋第1扣承載面根部mises應(yīng)力大于材料抗拉強度，接箍將從此處斷裂失效。由于螺紋結(jié)構(gòu)采用公稱尺寸且材料采用理想線性強化模型，而試樣本身具有公差及材料也不完全是理想模型，試驗結(jié)果為最終拉伸斷裂值，因此計算分析與試驗值有7%的誤差。有限元分析方法與實物試驗相比具有較高的可靠性，能夠較真實地反映載荷條件下密封泄漏的變化。

圖13 主密封面泄漏穿透長度隨拉伸載荷的變化Fig.13 Variation of penetration length along main sealing surface with tensile load

圖14 高內(nèi)壓加拉伸至失效（有限元分析結(jié)果放大10倍）Fig.14 High internal pressure with tensile load increasing to failure

3 結(jié)論

（1）獲得不同型面組合的密封能力隨載荷的變化規(guī)律。提出新的密封準則:密封接觸表面之間的有效接觸長度大于0.5 mm，接觸壓力最大與最小值之差大于內(nèi)壓的5.8倍，在有效接觸壓力、長度范圍內(nèi)接觸表面塑性應(yīng)變控制在材料屈服點應(yīng)變范圍內(nèi)，可使密封結(jié)構(gòu)達到抗黏扣和消除密封間隙的目的。

（2）拉伸載荷對密封性能的影響顯著高于彎曲載荷的。

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Comparison analysis of premium connection's seal structure

WANG Jian-dong1，2，F(xiàn)ENG Yao-rong1，2，LIN Kai1，2，QIN Chang-yi1，2，SONG Yan-peng3

（1.Tubler Goods Research of Center，CNOP，Xi'an710065，China;2.Key Laboratory of Environment and Mechanical Behavior of OCTG，Xi'an710065，China;3.Bao Steel，Shanghai200940 ，China）

The premium connection's seal structure of the casing is the key factor affecting the performance of sealing.The changes of contact length，contact pressure and penetration length along the primary sealing surface of two different main seal structure forms（the cone/cone and arc/cone）were analyzed by finite element method at make-up，tension，bending，internal pressure and tensile loading.The changing laws of different types of sealing surface with load capacity were given.The new seal principles were put forward.When the effective contact length of sealing contact surface exceeded 0.5 mm，the value of contact pressure minimum subtracted from maximum was 5.8 times internal pressure，and in range of effective contact pressure and length，contact surface plastic strain was controlled in the yield point's scope of strain，anti-galling and eliminating seal clearance were made.The test results agree well with the numerical simulation.The results show that the established model was proper and the used method was reasonable.The influence of the tensile load on the seal was significantly higher than bending load.

contact pressure;contact length;seal structure;finite element method;physical test

TH 13

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.023

1673-5005（2010）05-0126-05

2010－03－02

中國石油應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2008A－3005）

王建東（1972－），男（漢族），陜西西安人，工程師，主要從事管柱力學(xué)方面的研究。

（編輯 沈玉英）