一種大直徑反井鉆桿接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)化研究

趙小軍，趙鈞羨，陳錫慶，段隆臣

(1．巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢430074;2．江蘇和信石油機(jī)械有限公司，江蘇東臺(tái)224200;3．青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海西寧810008;4．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北武漢430074)

0 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求也日益加大，進(jìn)而加快了我國(guó)能源的開(kāi)發(fā)利用。在煤炭、水電、冶金等相關(guān)能源領(lǐng)域的大量地下工程中，由于反井鉆井施工技術(shù)所具有的安全、快速、高質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，得到了地下工程建設(shè)者普遍的歡迎［1］。反井鉆井是指在地表運(yùn)用鉆井設(shè)備先沿著設(shè)計(jì)的地下軌跡導(dǎo)向鉆進(jìn)至需要連通的目標(biāo)井巷，再利用已有的井巷空間反向擴(kuò)孔連通地表和井巷的技術(shù)方法。為了適應(yīng)這些地下工程深井反井鉆井施工的需要，目前國(guó)內(nèi)正在研究高強(qiáng)度、大扭矩的礦用硬巖大直徑鉆桿。

鉆桿之間廣泛采用的是螺紋連接，由于鉆桿在孔內(nèi)工況復(fù)雜惡劣，當(dāng)施工工況惡化時(shí)，往往首先攻擊鉆桿的最薄弱的部位。因?yàn)殂@桿接頭螺紋部分壁很薄，再加上螺紋尾部以及牙底部位應(yīng)力集中，進(jìn)一步增大了破壞的危險(xiǎn)性，使得鉆桿接頭螺紋部分成為鉆桿最薄弱的環(huán)節(jié)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，鉆桿折斷事故90%以上發(fā)生在鉆桿的螺紋連接部位［2］。鉆桿接頭螺紋參數(shù)決定了接頭螺紋的結(jié)構(gòu)，對(duì)鉆桿接頭螺紋強(qiáng)度有很大影響，因此對(duì)鉆桿接頭螺紋參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究很有必要。

本次進(jìn)行接頭螺紋參數(shù)優(yōu)化研究的對(duì)象是一個(gè)用于反井鉆井的外徑為374.65 mm、內(nèi)徑為138 mm的大直徑鉆桿，它來(lái)源于江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目《礦用大直徑硬巖鉆進(jìn)鉆具的國(guó)際合作研究及產(chǎn)業(yè)化》(項(xiàng)目編號(hào):BA2013014)。

1 鉆桿接頭螺紋研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆桿接頭螺紋的優(yōu)化做了大量的工作，也取得了一定的成效，主要包括:對(duì)鉆桿接頭螺紋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化如增加應(yīng)力減荷槽、雙臺(tái)肩等來(lái)提高鉆桿接頭螺紋強(qiáng)度［3］;對(duì)鉆桿接頭螺紋的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化如通過(guò)優(yōu)化螺紋外徑、錐度等參數(shù)來(lái)減小螺紋處的應(yīng)力集中［4］;從工藝的角度優(yōu)化如選用適宜的潤(rùn)滑脂、施加預(yù)應(yīng)力等來(lái)改善接頭螺紋處的受力狀態(tài)，減小應(yīng)力集中［5］。這些研究的共同點(diǎn)在于大都采用有限元分析軟件進(jìn)行模擬研究，都是在已有的鉆桿接頭螺紋的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，所研究的鉆桿的外徑都不大，優(yōu)化的參數(shù)都不多。

2 研究方法和目的

本文以鉆桿常用的圓錐梯形螺紋為基礎(chǔ)，通過(guò)分析對(duì)比選擇了牙型高、牙頂寬、牙底寬、牙側(cè)角、錐度等5個(gè)相對(duì)獨(dú)立的參數(shù)來(lái)確定螺紋牙型，再加上非牙型參數(shù)螺紋頭數(shù)、螺紋錐部長(zhǎng)度、螺紋小端大徑就可以完全確定整個(gè)接頭螺紋。當(dāng)然，上述參數(shù)是以公扣外螺紋為基準(zhǔn)的，至于母扣內(nèi)螺紋則隨外螺紋相應(yīng)變化。

為了對(duì)本次研究中的大直徑鉆桿接頭螺紋的8個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用了有限元和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法。這種方法結(jié)合了有限元模擬和正交試驗(yàn)優(yōu)化的特性，可以加快鉆桿螺紋接頭的研制和優(yōu)化周期，大大降低研究成本，快速得到優(yōu)化方案。

本次研究的目的是分析鉆桿接頭螺紋各參數(shù)對(duì)螺紋接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律，并得出接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)值。

3 研究過(guò)程

本次研究首先需要設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，然后利用有限元軟件進(jìn)行仿真計(jì)算得到試驗(yàn)結(jié)果，最后通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得到優(yōu)化方案。

3．1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于本次研究需要優(yōu)化的參數(shù)達(dá)到8個(gè)，再加上進(jìn)行優(yōu)化研究的大直徑鉆桿沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)成的螺紋，需要設(shè)計(jì)一個(gè)全新的螺紋，因而對(duì)各參數(shù)的水平不宜選少。為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)，對(duì)于接頭螺紋參數(shù)間的交互作用不予考慮。

要進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就需要選擇合適的正交表，本次正交試驗(yàn)最終選擇了混合水平正交表L64(47×86)，主要考慮到以下幾點(diǎn):參數(shù)有8個(gè)，那么正交表至少有8列;對(duì)于參數(shù)水平值不宜選少;試驗(yàn)次數(shù)不宜太多，也就是正交表的行數(shù)不宜太多;為制造方便，螺紋頭數(shù)一般不超過(guò)4，即水平數(shù)≯4。

正交表確定之后就需要選擇每個(gè)參數(shù)的具體的水平值。通過(guò)分析《石油鉆桿接頭螺紋標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 9295．3－1999)中的石油鉆桿接頭螺紋牙型尺寸表、石油鉆桿接頭螺紋基本尺寸表，發(fā)現(xiàn)隨著外螺紋小端大徑的增加，外螺紋錐部長(zhǎng)度以及牙頂寬有變大的趨勢(shì)，并考慮到鉆桿接頭外螺紋小端大徑和大端大徑的尺寸限制，對(duì)各參數(shù)的取值如表1所示。

將所取的各參數(shù)的各水平值按對(duì)應(yīng)關(guān)系放入到混合水平正交表L64(47×86)中，就可以得到正交試驗(yàn)方案。

表1 鉆桿接頭螺紋參數(shù)與水平

3．2 有限元分析

本次優(yōu)化研究采用的是國(guó)際上通用的大型有限元分析軟件ANSYS 14.0進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。由于ANSYS對(duì)于有錐度的螺紋進(jìn)行建模難度很高，決定利用Solidworks進(jìn)行模型的建立，然后導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行計(jì)算。下面我們以其中一個(gè)模型為例，介紹模型的建立以及計(jì)算過(guò)程。

鉆桿接頭螺紋模型的建立是在Solidworks中以?huà)呙枨谐姆绞酵瓿傻?，它以螺紋的牙型為掃描輪廓，以螺紋導(dǎo)程為螺距的螺旋線(xiàn)為掃描路徑。在模型的建立過(guò)程中忽略倒角圓角;只對(duì)接頭螺紋部分建立模型，忽略桿體;先以大于錐部長(zhǎng)度一定值的長(zhǎng)度建立螺紋模型，最后將多余的部分切除掉，使端部更接近實(shí)際情況;在螺紋的掃描切除過(guò)程和多頭螺紋的圓周陣列過(guò)程中注意選擇合并實(shí)體。圖1為外螺紋的實(shí)體模型，圖2為內(nèi)外螺紋裝配后的剖面視圖。

模型建立以后，需要將模型另存為 Parasolid(*．x_t)格式，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。在計(jì)算之前，首先要對(duì)材料進(jìn)行定義，本次研究選擇的是鉆桿普遍采用的鋼材料。由于Workbench可以自動(dòng)添加設(shè)置接觸關(guān)系，所以下面進(jìn)行的是施加載荷定義約束，由于反井鉆機(jī)工作是拉力要遠(yuǎn)大于推力，反井鉆桿最主要的是受拉伸和扭矩載荷作用，所以在有限元分析施加載荷時(shí)只考慮拉伸和扭矩載荷，并假設(shè)一端固定，即約束選擇為固定約束。拉伸和扭矩載荷按目前功率最大、額定鉆深最深的反井鉆機(jī)BMC600的額定載荷選取，其中拉伸載荷為6000 kN，扭矩載荷為300 kN·m(如圖3所示)。然后需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用Workbench的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖1 外螺紋實(shí)體模型

圖2 內(nèi)外螺紋裝配體剖面

圖3 施加載荷定義約束情況

圖4 網(wǎng)格劃分情況

最后選擇基于第四強(qiáng)度理論的極限應(yīng)力(von－Mises應(yīng)力)作為后處理結(jié)果，并進(jìn)行計(jì)算。得到的結(jié)果如圖5、圖6所示。

從螺紋的應(yīng)力分布圖中可以看出應(yīng)力在接頭螺紋上的分布是不均勻、非線(xiàn)性的，主要集中在螺紋根部，特別是最后一道螺紋附近，但是極限應(yīng)力并不總是發(fā)生在外螺紋根部，有的模型的極限應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在內(nèi)螺紋根部。由于螺紋根部應(yīng)力集中，說(shuō)明螺紋根部容易發(fā)生破壞，符合鉆桿接頭螺紋常見(jiàn)的失效形式，表明試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂泻芨叩目煽慷取?/p>

3．3 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖5 螺紋接頭應(yīng)力分布圖

圖6 外螺紋應(yīng)力分布圖

對(duì)所有的64個(gè)模型都按照上述的方法進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最后得到如表2所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 接頭螺紋參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到各參數(shù)的各水平所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力的平均值，也可以得到總的方差分析表。通過(guò)均值和方差分析就可以得到鉆桿接頭螺紋各個(gè)參數(shù)與極限應(yīng)力間的關(guān)系，也就是與接頭螺紋強(qiáng)度間的關(guān)系，也可以得到各參數(shù)的最優(yōu)值。

4．1 鉆桿接頭外螺紋牙型參數(shù)優(yōu)化

將各參數(shù)的各水平及其對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力的平均值繪制成圖，可以清晰地反映出極限應(yīng)力與各參數(shù)之間的關(guān)系。

圖7為接頭螺紋極限應(yīng)力隨牙底寬的變化情況，從中可以看出在牙底寬為1～4 mm的范圍內(nèi)，鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力隨牙底寬的增大，先增加到最大后，開(kāi)始不斷減小，變化較大。牙底寬的最優(yōu)值應(yīng)該是極限應(yīng)力的最小值，所以牙底寬取4 mm。

圖7 極限應(yīng)力隨牙底寬變化曲線(xiàn)

從圖8可以看出，在牙高為2～3 mm范圍內(nèi)鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力隨牙高的增大而減小，在3～5 mm范圍內(nèi)鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力隨牙高的增大大體上呈增加的趨勢(shì)，在5 mm以后又開(kāi)始減小。在牙高為3 mm時(shí)，極限應(yīng)力達(dá)到最小值，為牙高的優(yōu)值。

圖8 極限應(yīng)力隨牙高變化曲線(xiàn)

圖9為極限應(yīng)力隨牙側(cè)角的變化情況圖，在牙側(cè)角10°～80°范圍內(nèi)，鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力變化較大，呈現(xiàn)出兩邊高，中間小的趨勢(shì)。在50°時(shí)取得最小值，為最優(yōu)值。

圖9 極限應(yīng)力隨牙側(cè)角變化曲線(xiàn)

從圖10可知，鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力隨牙頂寬的變化在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，起伏較大，在牙頂寬為2.921 mm時(shí)最小，取為最優(yōu)值。

根據(jù)圖11可以知道鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力隨錐度的增加，有逐漸減小的趨勢(shì)，最后趨于平穩(wěn)，錐度的優(yōu)值取5.711°，即取錐度為1∶5。

圖10 極限應(yīng)力隨牙頂寬變化曲線(xiàn)

圖11 極限應(yīng)力隨錐度變化曲線(xiàn)

4．2 鉆桿接頭外螺紋非牙型參數(shù)優(yōu)化

圖12為極限應(yīng)力隨螺紋頭數(shù)的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)相對(duì)于其它參數(shù)，鉆桿接頭螺紋的極限應(yīng)力隨螺紋頭數(shù)的起伏波動(dòng)要小一些，即對(duì)螺紋強(qiáng)度影響要小一些，螺紋頭數(shù)的最優(yōu)值取3。

圖12 極限應(yīng)力隨螺紋頭數(shù)變化曲線(xiàn)

從圖13可知，外螺紋小端大徑對(duì)螺紋強(qiáng)度的影響非常大，在小端大徑為152.4～330.2 mm范圍內(nèi)，極限應(yīng)力隨著小端大徑的增加而逐漸減小，且有減小不斷趨緩的趨勢(shì)。小端大徑的優(yōu)值取330.2 mm。

圖13 極限應(yīng)力隨外螺紋小端大徑變化曲線(xiàn)

從圖14可知，當(dāng)外螺紋錐部長(zhǎng)度在152.4～177.8 mm范圍內(nèi)時(shí)極限應(yīng)力先升后降，變化較大，在177.8～241.3 mm范圍內(nèi)，先降后升，但是變化較小。215.9 mm為外螺紋錐部長(zhǎng)度的優(yōu)值。

圖14 極限應(yīng)力隨外螺紋錐部長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)

4．3 方差分析

利用SPSS對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差計(jì)算可以得到表3中的數(shù)據(jù)。

表3 方差分析表

表中F值表示方差的大小，方差越大，數(shù)據(jù)波動(dòng)越厲害，代表了參數(shù)對(duì)極限應(yīng)力的影響越大。所以從表中可以得出各參數(shù)作用的主次順序?yàn)樾《舜髲?、錐度、牙側(cè)角、錐部長(zhǎng)度、牙底寬、牙高、牙頂寬、螺紋頭數(shù)。方差分析中以概率值為0.05為標(biāo)準(zhǔn)，小于0.05則說(shuō)明參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響，否則沒(méi)有顯著性影響。從表中可以看出外螺紋小端大徑、錐度、牙側(cè)角和錐部長(zhǎng)度對(duì)極限應(yīng)力有顯著性影響，其它參數(shù)則對(duì)極限應(yīng)力沒(méi)有顯著性影響。

4．4 接頭螺紋參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

將前面得到的優(yōu)化結(jié)果匯總可以得到表4所示的結(jié)果。

表4 接頭螺紋參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可得外徑為374.65 mm、內(nèi)徑為138 mm的大直徑鉆桿接頭螺紋優(yōu)化后的螺距為14.175 mm，原始三角形高度5.238 mm，牙頂削平高度1.208 mm，牙底削平高度1.654 mm，外螺紋的小端小徑327.2 mm。按表4中的數(shù)據(jù)重新建立模型和進(jìn)行有限元計(jì)算，可以得到其在相同的條件下所得的極限應(yīng)力值為416.89 MPa，這個(gè)結(jié)果比正交試驗(yàn)中絕大部分模型得到的極限應(yīng)力值都要小，并且遠(yuǎn)小于鉆桿的屈服極限964 MPa，說(shuō)明本次研究所得的接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果是在一定程度上可取的。在全部的模型中有4個(gè)模型的極限應(yīng)力值要比優(yōu)化后模型的極限應(yīng)力值小一些，占全部模型的比例為6.25%。出現(xiàn)這種情況的原因可能有以下幾點(diǎn):一是在模型的建立和有限元計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生誤差，二是本次研究未考慮各螺紋參數(shù)間交互作用的影響，這種交互作用具體體現(xiàn)在如26號(hào)模型除螺紋頭數(shù)、小端大徑以外其它參數(shù)并非最優(yōu)值，但極限應(yīng)力為328 MPa，比由各個(gè)參數(shù)最優(yōu)值組成的優(yōu)化模型的極限應(yīng)力要小21%。

5 結(jié)論

(1)鉆桿接頭螺紋在拉伸和扭矩載荷條件下，根部應(yīng)力集中，特別是最后一個(gè)嚙合的螺紋處應(yīng)力最高，也就是說(shuō)螺紋根部容易發(fā)生破壞失效，另外極限應(yīng)力既可能存在于外螺紋根部，也可能存在于內(nèi)螺紋根部。

(2)鉆桿接頭螺紋參數(shù)中，外螺紋小端大徑、錐度、牙側(cè)角和錐部長(zhǎng)度對(duì)螺紋強(qiáng)度有顯著性影響。鉆桿接頭螺紋各參數(shù)對(duì)螺紋強(qiáng)度的影響規(guī)律是復(fù)雜的。各參數(shù)對(duì)螺紋強(qiáng)度的影響從大到小排列為外螺紋小端大徑、錐度、牙側(cè)角、錐部長(zhǎng)度、牙底寬、牙高、牙頂寬、螺紋頭數(shù)。

(3)在不考慮參數(shù)間的交互作用的前提下，對(duì)本次研究中的外徑為374.65 mm、內(nèi)徑為138 mm的大直徑鉆桿接頭螺紋參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果為牙底寬4 mm、牙高3 mm、牙側(cè)角50°、牙頂寬2.921 mm、錐度1∶5(5.711°)、螺紋頭數(shù)為3、外螺紋小端大徑330.2 mm、外螺紋錐部長(zhǎng)度215.9 mm，并得到螺紋的螺距為14.175 mm，外螺紋小端小徑為327.2 mm。

當(dāng)然本次研究也存在不足之處，首先是對(duì)螺紋參數(shù)只考慮了在拉扭靜載荷條件下進(jìn)行優(yōu)化，未考慮疲勞載荷的作用，其次未考慮螺紋參數(shù)間的交互作用，今后應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

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