彎曲載荷下隔水管特殊螺紋接頭參數(shù)與應(yīng)力關(guān)系研究

劉賢玉，于永南，宋作苓，孫建忠

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266555） ＊

彎曲載荷下隔水管特殊螺紋接頭參數(shù)與應(yīng)力關(guān)系研究

劉賢玉，于永南，宋作苓，孫建忠

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）＊

針對(duì)海洋環(huán)境中隔水管存在較大彎曲載荷的情況，采用有限元軟件ANSYS對(duì)隔水管最易失效的特殊螺紋接頭建立了三維接觸有限元模型，得到了在彎曲載荷作用下螺紋接頭的應(yīng)力分布。結(jié)果表明：最大應(yīng)力出現(xiàn)在接頭本體拉伸側(cè)的第1圈或最后1圈螺紋的根部；接頭本體拉伸側(cè)與壓縮側(cè)的螺紋根部應(yīng)力分別與環(huán)向角近似成1／2個(gè)正弦波函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了壁厚、螺高、螺距、螺紋圈數(shù)和錐度等參數(shù)對(duì)螺紋處最大等效應(yīng)力的影響，為隔水管特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

隔水管；彎曲載荷；特殊螺紋；應(yīng)力；ANSYS

隔水管是避免海上油井發(fā)生事故的主要工藝結(jié)構(gòu)之一。由于隔水管特殊螺紋接頭可以極大地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，因此特殊螺紋接頭隔水管得到了較廣泛的應(yīng)用。隔水管處于較復(fù)雜的海洋環(huán)境中，在風(fēng)、海浪以及海流等作用下，隔水管承受彎曲、軸力、外壓、內(nèi)壓等多種載荷，工作條件惡劣，因而易出現(xiàn)隔水管失效事故。導(dǎo)致隔水管失效的主要載荷是彎曲載荷，隔水管特殊螺紋連接處是最薄弱環(huán)節(jié)。目前對(duì)螺紋連接的研究主要集中在上扣、內(nèi)壓、外壓與軸向載荷等對(duì)稱邊界與載荷，并簡(jiǎn)化成平面模型求解［1－4］。隔水管螺紋接頭承受的彎曲載荷為非軸對(duì)稱載荷，較難簡(jiǎn)化成平面軸對(duì)稱模型求解［5－6］。目前尚未發(fā)現(xiàn)通過(guò)建立三維有限元模型，對(duì)彎曲載荷作用下特殊螺紋接頭應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究的文獻(xiàn)報(bào)道。為提高隔水管螺紋的連接強(qiáng)度，避免螺紋過(guò)早失效，本文利用ANSYS軟件建立了特殊螺紋接頭三維簡(jiǎn)化模型，分析了螺紋接頭在彎曲荷載作用下螺紋處應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)而分析了應(yīng)力與螺紋參數(shù)之間的關(guān)系［7－9］，為隔水管特殊螺紋的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 接頭模型與邊界條件

以東海某油田609.6mm×25.4mm（24英寸×1英寸）隔水管為例，在百年一遇波流作用下，隔水管最大彎矩為1 974kN·m，相應(yīng)的軸向拉力為243.6kN。由于隔水管承受的彎矩較大，將隔水管特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)成偏梯形螺紋連接［10］，導(dǎo)向側(cè)面與螺紋軸線的垂線間的夾角為10°，承載面與螺紋軸線的垂線間的夾角為3°。3°承載面可使螺紋在較大的軸向拉伸載荷下具有抗滑脫性能，而10°導(dǎo)向面可使螺紋承受較大的軸向壓縮載荷［11］。

螺紋連接處的接觸面為空間螺旋面，但由于螺紋升角較小，故建模時(shí)忽略升角影響，將結(jié)構(gòu)視為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。螺紋接頭建模采用三維20節(jié)點(diǎn)等參單元solid95，此單元可用來(lái)模擬不規(guī)則形狀而不會(huì)降低精度。利用接觸向?qū)山佑|對(duì)，目標(biāo)單元采用Targe170，接觸單元采用Contact174，摩擦因數(shù)取0.2。由于應(yīng)力集中主要在螺紋嚙合處［2］，故在建模時(shí)對(duì)螺紋連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其余部位進(jìn)行較粗的網(wǎng)格劃分。材料模型采用線彈性材料模型，彈性模量210GPa，泊松比0.3。對(duì)內(nèi)螺紋遠(yuǎn)離螺紋牙處的端面全約束，外螺紋遠(yuǎn)離螺紋牙處的端面施加彎矩1 974kN·m，拉力243.6kN，其有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

為了便于計(jì)算結(jié)果的處理，對(duì)接頭的螺紋牙進(jìn)行編號(hào)。螺紋牙號(hào)以內(nèi)螺紋為標(biāo)準(zhǔn)，從內(nèi)螺紋的擋肩面開(kāi)始為螺紋牙第1圈，外螺紋牙圈號(hào)與內(nèi)螺紋對(duì)應(yīng)。

2 有限元分析結(jié)果

隔水管螺紋錐度為1︰16，螺高h(yuǎn)為7mm，螺距P為30mm，圈數(shù)n為7，接頭最大總厚度為85.4 mm，經(jīng)有限元計(jì)算得外螺紋等效應(yīng)力分布如圖2所示，內(nèi)螺紋應(yīng)力布如圖3所示。由圖2～3可知：在彎曲與軸向拉伸載荷作用下，接頭應(yīng)力分布不均勻，螺紋處及管體連接處應(yīng)力集中明顯；接頭等效應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力）最大值為477MPa，發(fā)生在外螺紋本體拉伸側(cè)最后1圈螺紋根部；內(nèi)螺紋等效應(yīng)力最大值為364MPa，發(fā)生在內(nèi)螺紋本體拉伸側(cè)第1圈螺紋根部。

圖2 內(nèi)螺紋等效應(yīng)力云圖

圖3 外螺紋等效應(yīng)力云圖

各圈螺紋的最大等效應(yīng)力與法向最大接觸壓力分布曲線如圖4所示。由圖4可知：螺紋牙接觸壓力兩端較大，中間較小，且最后2圈的接觸壓力較前2圈的接觸壓力大，最大接觸壓力均發(fā)生齒腹部分；外螺紋前2圈等效應(yīng)力相對(duì)較小，后5圈應(yīng)力隨著圈號(hào)的增加而逐漸增大；內(nèi)螺紋兩端螺紋應(yīng)力較大，中間螺紋應(yīng)力較小，螺紋應(yīng)力隨圈號(hào)近似呈拋物線分布；內(nèi)外螺紋每圈最大應(yīng)力均發(fā)生在接頭本體拉伸側(cè)的齒根部位，數(shù)值上每圈螺紋的最大應(yīng)力均明顯大于最大接觸壓力。

圖4 各圈螺紋牙最大等效應(yīng)力及接觸壓力

螺紋局部等效應(yīng)力與接觸壓力分布曲線如圖5所示，其中環(huán)向角0～180°對(duì)應(yīng)在彎曲載荷下接頭本體拉伸側(cè)的螺紋，環(huán)向角180～360°對(duì)應(yīng)接頭本體壓縮側(cè)的螺紋。在接頭本體拉伸側(cè)，內(nèi)螺紋擋肩與外螺紋靠近螺紋牙處的端面相分離，無(wú)接觸壓力；在接頭本體壓縮側(cè)，擋肩接觸壓力分布與環(huán)向角近似成1／2個(gè)正弦波函數(shù)關(guān)系，接觸壓力最大值為105MPa。接頭本體拉伸側(cè)與壓縮側(cè)的螺紋牙應(yīng)力及接觸壓力分布分別與環(huán)向角近似成1／2個(gè)正弦波函數(shù)關(guān)系。由于接頭本體壓縮側(cè)的擋肩承受了較大的接觸壓力，故同一圈螺紋在接頭本體壓縮側(cè)的接觸壓力及應(yīng)力遠(yuǎn)小于拉伸側(cè)對(duì)應(yīng)位置處的接觸壓力與應(yīng)力。

圖5 外螺紋局部等效應(yīng)力及接觸壓力

3 螺紋參數(shù)的影響

3.1 螺紋壁厚

螺紋最大等效應(yīng)力隨螺紋接頭處總壁厚的變化曲線如圖6所示。各圈螺紋牙接觸壓力分布與螺紋本體的剛度和螺紋牙的剛度有關(guān)，螺紋本體剛度越大，螺紋牙剛度越小，則各圈螺紋牙承受的接觸壓力越均勻，螺紋最大應(yīng)力越?。?2］。當(dāng)螺紋接頭總壁厚增加時(shí)，螺紋本體剛度變大，從而使各螺紋牙應(yīng)力分布趨于均勻，螺紋最大應(yīng)力降低。當(dāng)螺紋壁厚增加到一定值時(shí)，螺紋嚙合處相對(duì)管體位置出現(xiàn)了較明顯的偏移，使螺紋應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力不再減小甚至增加。

圖6 不同加厚厚度螺紋等效應(yīng)力

3.2 螺高

螺紋最大等效應(yīng)力隨螺高的變化曲線如圖7所示。一方面，螺高增加時(shí)螺紋牙柔性增大，從而使螺紋接觸壓力分布較均勻，同時(shí)螺高的增加使得螺紋接觸區(qū)域增大，使接觸壓力分布更為合理，各螺牙應(yīng)力較為均勻；另一方面，在相同大小的接觸壓力下，螺高較大時(shí)螺紋牙的根部應(yīng)力相對(duì)螺高較小時(shí)的根部應(yīng)力大，增加螺高，會(huì)加劇螺紋根部應(yīng)力集中。當(dāng)螺高較小時(shí)，增加螺高可明顯改善接觸壓力分布，而螺紋根部應(yīng)力集中還不太顯著，故螺紋最大應(yīng)力減小。螺高增加到一定值時(shí)，螺紋牙較大的柔性使得每圈螺紋承受的總接觸壓力相近；繼續(xù)增加螺高，每圈螺紋的總接觸壓力變化不大，而較大的螺高使得螺紋牙根部應(yīng)力集中明顯，螺紋最大應(yīng)力增加。當(dāng)螺距為20、25、30mm時(shí)，螺紋最大應(yīng)力在螺高為5 mm時(shí)取最小值；螺距為35mm時(shí)，螺紋最大應(yīng)力在螺高為6mm時(shí)取最小值。

圖7 不同螺高螺紋等效應(yīng)力

3.3 螺距

螺紋最大等效應(yīng)力與螺距的變化曲線如圖8所示。由圖8可知：隨著螺距的增大，最大等效應(yīng)力減小。一方面，螺距的增加提高了單圈螺紋牙的抗彎剛度與抗剪強(qiáng)度，提高了單圈螺紋牙承載能力，螺紋根部應(yīng)力減?。涣硪环矫?，螺紋牙剛度的增加會(huì)使螺紋接觸壓力分布不均勻，尤其是螺紋第1圈與最后1圈嚙合處（接頭高應(yīng)力區(qū)）接觸壓力明顯增大，導(dǎo)致螺紋根部應(yīng)力增加。當(dāng)螺距＜35mm時(shí)，第1種因素起主導(dǎo)作用，螺距增加時(shí)最大應(yīng)力減小較為明顯；當(dāng)螺距增加為35mm時(shí)，2種因素作用基本相當(dāng)，最大應(yīng)力基本維持在一定水平內(nèi)?？紤]到螺紋牙的抗剪強(qiáng)度，應(yīng)在一定范圍內(nèi)增大螺距。

圖8 不同螺距螺紋等效應(yīng)力

3.4 螺紋圈數(shù)

螺紋最大等效應(yīng)力隨螺紋圈數(shù)的變化曲線如圖9所示。隨著嚙合圈數(shù)的增加，螺紋連接處的接觸面積增加，單圈螺紋牙承受的接觸壓力減小，齒根處的應(yīng)力減小。當(dāng)圈數(shù)n＜7時(shí)，螺紋第1圈與最后1圈嚙合處接觸壓力隨圈數(shù)的增加明顯減小，齒根應(yīng)力較多地轉(zhuǎn)移到了其他螺紋牙上，最大應(yīng)力降低較顯著；當(dāng)圈數(shù)n＞7時(shí)，螺紋第1圈與最后1圈嚙合處接觸壓力隨圈數(shù)的增加降幅不大，最大應(yīng)力減小較慢，且此時(shí)不同螺距下螺紋最大應(yīng)力相差不大。故隔水管接頭螺紋嚙合圈數(shù)達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，再增加嚙合圈數(shù)并不能顯著提高其抗彎強(qiáng)度。

圖9 不同螺紋圈數(shù)螺紋等效應(yīng)力

3.5 螺紋錐度

螺紋最大等效應(yīng)力隨螺紋錐度的變化曲線如圖10所示。由圖10可知：當(dāng)螺紋錐度從零增大到1︰32時(shí)，不同螺紋圈數(shù)下的螺紋應(yīng)力均有較為明顯的減小。當(dāng)螺紋圈數(shù)n＜9時(shí)，1︰32、1︰16與1︰8錐度下的螺紋應(yīng)力接近，應(yīng)力隨錐度的增大略有減小；當(dāng)螺紋圈數(shù)n＞9時(shí)，螺紋應(yīng)力隨錐度的增大有一定幅度的減小?？傮w上看，圓錐螺紋錐度的大小對(duì)螺紋應(yīng)力影響不大；圓錐螺紋的應(yīng)力分布優(yōu)于柱形螺紋。由于圓錐螺紋的錐度增加了螺紋連接的接觸面積與螺紋根部端面積，提高了螺紋連接的定心精度與連接剛性，使得螺紋應(yīng)力分布較均勻。

圖10 不同螺紋錐度螺紋等效應(yīng)力

4 結(jié)論

1） 各種螺紋參數(shù)下接頭最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在接頭本體拉伸側(cè)內(nèi)螺紋第1圈螺紋或外螺紋最后1圈螺紋的根部，該處為應(yīng)力嚴(yán)重集中區(qū)。

2） 在接頭本體拉伸側(cè)與壓縮側(cè)的接觸壓力及應(yīng)力分別與環(huán)向角近似成1／2個(gè)正弦波函數(shù)關(guān)系分布，且由于擋肩作用，拉伸側(cè)的應(yīng)力遠(yuǎn)大于壓縮側(cè)的應(yīng)力。

3） 增加螺紋壁厚可減小螺紋應(yīng)力，但壁厚過(guò)大反而會(huì)使應(yīng)力增加；螺紋應(yīng)力隨螺高的增大先減小后增大；應(yīng)力隨螺距的增大而減小，螺距增加到一定值時(shí)應(yīng)力變化不大；應(yīng)力隨螺紋圈數(shù)的增加而減小，減小幅度先大后??；錐螺紋的應(yīng)力分布優(yōu)于柱螺紋，錐螺紋錐度的大小對(duì)應(yīng)力影響不大。

4） 對(duì)于本文給定的隔水管尺寸及載荷，綜合考慮安全因素與加工成本，螺紋接頭取壁厚約80 mm、螺高5～6mm、螺距約30mm、螺紋圈數(shù)7左右、錐度1︰16時(shí)較為合理。

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Research on Relations of Stress and Parameter of Premium Threaded Connections on Riser Subjected to Bending Load

LIU Xian－yu，YU Yong－nan，SONG Zuo－ling，SUN Jian－zhong
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

According to the situation of riser subjected to large bending load at the ocean circumstance，the 3Dcontact finite element analysis model for premium threaded connections which is the most likely to become failure is established with the finite element software of ANSYS.The characteristic of Stress distribution on threaded connections under bending loads is obtained.The result reveals that the maximum stress exists on the first or the last round of thread root in the tensile side of connections；the relations of thread root stress distribution in the tensile side and compressive side of the connections with circular angle is represented as approximately half sine respectively.On this basis，detailed analysis is given on the effect of the threaded parameter such as wall thickness，depth of thread，thread pitch，number of thread teeth and taper on the maximum equivalent stress.Thus it can be taken as references in design and optimization of premium threaded connections.

riser；bending load；premium threaded；stress；ANSYS

1001－3482（2012）07－0006－05

TE953

A

2012－01－12

劉賢玉（1987－），男，江西九江人，碩士研究生，主要從事管柱力學(xué)研究，E－mail：liuxianyu1987＠163.com。