鋸齒形螺紋接頭油管連接強度影響因素研究

朱加強，呂慶鋼

（中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心，新疆輪臺 841600）①

鋸齒形螺紋接頭油管連接強度影響因素研究

朱加強，呂慶鋼

（中石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心，新疆輪臺 841600）①

通過有限元方法對鋸齒形螺紋接頭進(jìn)行拉伸條件下破壞失效規(guī)律研究，同時對螺紋嚙合長度和壁厚對連接強度的影響進(jìn)行了分析，并通過全尺寸試驗進(jìn)行了驗證。分析表明：鋸齒形螺紋接頭斷裂強度高于滑脫強度，接頭的拉伸失效破壞形式為斷裂；螺紋嚙合長度對鋸齒形螺紋接頭連接強度有較大影響；為了保證連接強度，應(yīng)該上扣到位，保證螺紋嚙合長度；管端壁厚和偏心對鋸齒形螺紋接頭連接強度有顯著影響，建議應(yīng)該控制最小壁厚和偏心度。

鋸齒形螺紋；連接強度；有限元；全尺寸試驗

API標(biāo)準(zhǔn)的油管螺紋包括不加厚油管圓螺紋和外加厚油管圓螺紋［1］，不加厚油管圓螺紋連接強度僅為管體的60%左右，外加厚油管圓螺紋連接強度較高，主要用于接頭連接強度要求較高的井況。然而由于結(jié)構(gòu)方面的原因，存在端螺紋修扣次數(shù)受限、短節(jié)及附件加工困難、管端敦粗引起加工工藝比較復(fù)雜及生產(chǎn)效率低等問題。設(shè)計開發(fā)一種沒有端部加厚但連接強度高已成為油田的現(xiàn)實需求和工廠提高加工效率的需要。國內(nèi)外主要的石油專用管生產(chǎn)廠開發(fā)了特殊螺紋接頭［2-4］，其中一種就是鋸齒形螺紋接頭。鋸齒形螺紋接頭油管的抗粘扣性能、密封液體＼氣體性能和現(xiàn)場操作性能較好，目前在油田的用量逐漸增大。

鋸齒形螺紋接頭連接強度與管體等效，解決了API圓螺紋因滑脫造成連接強度過低的問題，然而在實際應(yīng)用過程中仍發(fā)生過一些失效事故。筆者采用有限元方法和全尺寸試驗方法對鋸齒形螺紋接頭連接失效機(jī)理及影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，為提高鋸齒形螺紋接頭連接強度提供理論依據(jù)，以減少失效事故的發(fā)生。

1 有限元分析

1.1 分析模型

圖1 鋸齒形螺紋接頭有限元模型

忽略鋸齒形螺紋接頭螺旋升角的影響，建立鋸齒形螺紋接頭的二維軸對稱模型。采用彈塑性非線性有限元模型進(jìn)行分析，選用的單元類型為軸對稱四邊形單元。以?88.90 mm×6.45 mm P110鋼級鋸齒形螺紋接頭為例，彈性模量212 739 MPa，泊松比0.3，屈服強度758 MPa，抗拉強度862 MPa，接觸表面的摩擦采用庫侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.045［5-6］，有限元模型如圖1。接箍對稱面軸向約束，在管端施加軸向載荷。鋸齒形螺紋接頭失效破壞有斷裂和內(nèi)外螺紋間的相對徑向位移過大導(dǎo)致所有螺紋滑脫2種形式。

1.2 拉伸條件下破壞失效規(guī)律分析

鋸齒形螺紋油管接頭按照標(biāo)準(zhǔn)上扣后施加軸向載荷，隨著軸向載荷的增加，螺紋接頭整體應(yīng)力水平升高；在軸向載荷與名義值比值為1.027時，不完整螺紋第3扣首先出現(xiàn)滑脫，隨著軸向載荷增加，嚙合的不完整螺紋依次出現(xiàn)滑脫；當(dāng)軸向載荷與名義值比值1.134時，不完整螺紋第9扣出現(xiàn)滑脫。不完整螺紋滑脫對應(yīng)的參數(shù)如表1。不完整螺紋第3～9扣滑脫應(yīng)力云圖及形貌如圖2。

表1 不完整螺紋滑脫對應(yīng)參數(shù)

圖2 不同位置不完整螺紋滑脫應(yīng)力云圖

隨著載荷進(jìn)一步增加，當(dāng)軸向載荷與名義值比值1.138時，接頭承載達(dá)到最大值。隨后即使軸向載荷降低，然而軸向位移卻仍可以增加，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象發(fā)生，接頭達(dá)到最大連接強度，如圖3所示。在接頭承載最大載荷后，其他的不完整螺紋和完整螺紋未出現(xiàn)滑脫，因此接頭未發(fā)生脫扣現(xiàn)象。

由以上分析可知，鋸齒形接頭油管連接拉伸破壞為斷裂破壞形式，有限元計算值與名義連接強度比值為1.138。

圖3 軸向載荷和軸向位移的關(guān)系

1.3 嚙合長度對鋸齒形螺紋連接強度的影響

以嚙合長度70.48、73.65、76.83、80.00、83.17 mm為例計算分析，分析結(jié)果如圖4?？芍S著嚙合長度的增加，接頭的連接強度增加，不同嚙合長度斷裂位置略有不同。因此，嚙合長度的變化影響斷裂位置，而斷裂位置又直接決定其斷裂位置處的橫截面積，從而影響連接強度的大小。

圖4 嚙合長度與接頭連接強度的關(guān)系

1.4 管端壁厚對鋸齒形螺紋接頭連接強度的影響

以6.45、5.95、5.45、4.95、4.45、3.95 mm壁厚為例計算分析，分析結(jié)果如圖5。可知隨著壁厚的增加，接頭的連接強度增加。壁厚變化與接頭連接強度二者近似成線性變化趨勢，擬合公式為y＝0.177 6x-0.005 7，采用擬合公式可以近似計算不同壁厚的連接強度。

圖5 壁厚與接頭連接強度的關(guān)系

2 全尺寸試驗研究

2.1 試樣

為了驗證鋸齒形螺紋接頭油管連接強度，選擇?88.90 mm×6.45 mm P110鋸齒形螺紋接頭油管進(jìn)行試驗，研究嚙合螺紋長度和管端壁厚對鋸齒形螺紋接頭油管連接強度的影響；同時，驗證有限元模擬結(jié)果的正確與否。共加工了32個外螺紋和16個接箍，組成16個試樣進(jìn)行拉伸至失效試驗。

2.2 試驗程序

對鋸齒形螺紋接頭油管試樣施加拉伸載荷，具體試驗步驟為：

1） 一步加載至試樣失效［7-8］。

2） 試驗過程中記錄時間、載荷等參數(shù)。

3） 對失效試樣進(jìn)行拍照。

2.3 試驗設(shè)備

拉伸至失效試驗在復(fù)合加載試驗系統(tǒng)上進(jìn)行。該系統(tǒng)試驗?zāi)芰Γ鹤畲罄燧d荷16 k N，壓縮載荷12 k N，三點彎曲試驗最大60°／30.48 m，外壓力210 MPa，內(nèi)壓150 MPa。

2.4 試驗結(jié)果

不同壁厚的接頭按照不同的轉(zhuǎn)矩上扣，測J值后得到螺紋的嚙合長度，最后將接頭拉伸至失效，得到的失效載荷如表2。

表2 試驗結(jié)果

續(xù)表2

2.5 試驗結(jié)果分析

2.5.1 螺紋嚙合長度對連接強度的影響

如圖6所示，螺紋嚙合長度對鋸齒形螺紋接頭連接強度有較大影響。當(dāng)螺紋嚙合長度為59.00 mm時，接頭的連接強度僅為名義值的0.860倍，低于接頭名義連接強度；隨著嚙合長度增長，接頭連接強度在增大，但當(dāng)嚙合長度大于69.30 mm時，接頭的連接強度高于接頭名義連接強度；隨著螺紋嚙合長度再增大，螺紋連接強度增速放緩，試驗值和有限元計算值分布趨勢基本一致。

圖6 嚙合長度與連接強度試驗曲線

2.5.2 平均管端壁厚對連接強度的影響

如圖7所示，平均壁厚對鋸齒形螺紋接頭連接強度有顯著影響。隨著壁厚的增大，連接強度也隨著增大；壁厚減小1 mm平均連接強度減低10%，壁厚增大0.89 mm，平均連接強度增加21%。連接強度與管體平均壁厚和橫截面積有關(guān)，壁厚越大，橫截面積越大，連接強度就越高。試驗值和有限元計算值分布趨勢基本一致。

圖7 平均壁厚與連接強度試驗曲線

2.5.3 偏心對連接強度的影響

為了驗證偏心對連接強度的影響，分別制造名義壁厚、壁厚偏心為2 mm和壁厚偏心為3 mm的管體螺紋，研究偏心對連接強度的影響。試驗結(jié)果表明：偏心對接頭的連接強度有顯著影響；偏心為2 mm連接強度比名義壁厚連接強度減低12%，偏心為3 mm連接強度降低17%；壁厚偏心影響橫截面積，進(jìn)而影響連接強度。

2.5.4 其他螺紋參數(shù)因素分析

API圓螺紋連接失效機(jī)理為滑脫失效，錐度和齒高螺紋參數(shù)對其連接強度有一定的影響；鋸齒形螺紋接頭拉伸破壞為斷裂破壞形式，其連接強度與斷裂位置的橫截面積有關(guān)，在錐度和齒高加工公差范圍內(nèi)，對斷裂位置的橫截面積影響較小，因此錐度和齒高對鋸齒形螺紋接頭連接強度影響較小。

3 結(jié)論

1） 鋸齒形螺紋接頭斷裂強度高于滑脫強度，拉伸失效機(jī)理為斷裂。

2） 螺紋嚙合長度對鋸齒形螺紋接頭連接強度有較大影響。為了保證其連接強度，應(yīng)該上扣到位，保證螺紋嚙合長度。

3） 管端壁厚和偏心對鋸齒形螺紋接頭連接強度有顯著影響，建議應(yīng)該控制最小壁厚和偏心度。

［1］ API Specification 5B—2008，Specification for threading，gauging and thread inspection of casing，tubing，and line pipe threads［S］.

［2］ 王善永，楊俊義，宋志平，等.幾種特殊套管螺紋接頭［J］.石油礦場機(jī)械，2005，34（4）：83-85

［3］ 申昭熙，王鵬，李磊，等.特殊螺紋接頭密封可靠性數(shù)值分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（1）：10-13.

［4］ 付彧，齊國權(quán)，衛(wèi)遵義，等.特殊螺紋油套管設(shè)計及國內(nèi)產(chǎn)品現(xiàn)狀［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（10）：72-76.

［5］ Hilbert L B，Exponent Jr，Bergstrom J S.Evaluating PressureIntegrity of Polymer Ring Seals for Threaded Connections in H／HT Well and Expandable Casing［J］.SPE Journal，2008（3）：123-131.

［6］ Andrew Leech，Alun Roberts.Development of Dope-Free Premium Connections for Casing and Tubing［R］.SPE Drilling＆Completion，2007，106-111.

［7］ ISO 13679-2002，Petroleum and natural gas industries-procedures for testing casing and tubing connections［S］.

［8］ API Recommended Practice 5C5-2003，Recommended Practice on Procedures for Testing Casing and Tubing Connections［S］.

Research on Joint Strength for Sawtooth Thread Tubing Connection

Tensile failure of sawtooth thread tubing connections was studied through finite element method.Thread engagement length and wall thickness influence on joint strength are analyzed and verified by full-scale test.Analysis shows that the fracture strength is higher than pullout strength of sawtooth thread tubing connection，and tensile failure mode is fracture strength.Threadengagement length has great influence on joint strength of sawtooth thread connection.In order to ensure the joint strength，torque and thread engagement length may be increased.The average thickness and eccentricity has significant influence on joint strength of sawtooth thread connection.In order to ensure joint strength，wall thickness and eccentricity should be controlled.

sawtooth thread；joint strength；finite element；full-scale test

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.013

1001-3482（2014）09-0047-04

2014-03-22

朱加強（1967-），男，河南封丘人，高級工程師，主要從事石油裝備的研究和技術(shù)管理工作。