基于S59 地質(zhì)鉆桿接頭螺紋的研究與改進(jìn)

郎明朗，張賀勝，張萌

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)電學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

隨著深部資源勘探的發(fā)展，開發(fā)適于我國國情的深部鉆探機(jī)械和鉆具成為目前比較迫切的問題。鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的過程中鉆桿承受著交變的多種復(fù)合載荷，在地質(zhì)條件復(fù)雜的深部鉆井時經(jīng)常會發(fā)生鉆桿失效事故。通常鉆桿本體的剛性和強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于接頭螺紋，鉆桿的失效破壞主要發(fā)生在接頭螺紋部位［1-2］。因此，研究鉆桿接頭螺紋的失效機(jī)制，提高其連接強(qiáng)度具有重要意義。國家地質(zhì)鉆桿標(biāo)準(zhǔn)中S59 鉆桿是比較典型的一種［3］，但是S59鉆桿在應(yīng)力分布上存在著應(yīng)力集中等問題，而且接頭螺紋不能承受較大的應(yīng)力。為此，本文針對S59 鉆桿接頭螺紋進(jìn)行有限元仿真分析，并提出了幾種改進(jìn)措施。

1 研究及改進(jìn)的基本原理［8］

本文主要分析了國家地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中S59 鉆桿接頭和改進(jìn)后的S59 鉆桿接頭螺紋加載后的應(yīng)力分布狀況。首先在CAXA 中建立鉆桿接頭二維模型，然后利用ANSYS 有限元軟件對二維模型進(jìn)行有限元加載分析，得出鉆桿接頭螺紋加載后的應(yīng)力云圖，從應(yīng)力分布云圖中分析出接頭螺紋承受的最大應(yīng)力值［4］。

1.1 數(shù)據(jù)分析

S59 鉆桿接頭部位的主要參數(shù)：小徑d2=46 mm，內(nèi)螺紋大徑d1=55.5 mm，外螺紋大徑d2=56.5 mm、錐度為1：30、外螺紋牙頂寬3.784 mm、內(nèi)螺紋牙頂寬3.799 mm、螺距為8 mm、牙高為0.75 mm、牙型角30°、牙型半角15°、密封角為15°。外螺紋［3］如圖1。

圖1 S59 鉆桿接頭外螺紋

1.2 在CAXA 里建立二維模型

根據(jù)接頭部位的參數(shù)，在CAXA 軟件不同層內(nèi)分別建立內(nèi)外螺紋的簡化二維模型，然后進(jìn)行內(nèi)外螺紋的配合。按照實(shí)際工作中鉆桿接頭螺紋受力情況，在配合過程中要確保梯形螺紋只有一邊緊密接觸，即過盈配合;另一邊螺紋要有一定的縫隙，即過渡配合。圖2 為S59 鉆桿接頭螺紋配合后的二維模型，螺紋牙型為偏梯形。

圖2 S59 鉆桿接頭內(nèi)外螺紋的配合

1.3 ANSYS 有限元軟件仿真分析

首先在有限元軟件中設(shè)置文件名、保存路徑，設(shè)定單元類型為PLANE182。在Material-Props 中設(shè)置彈性模量為2×1011MPa 和泊松比為0.3 后，將S59 鉆桿接頭的二維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中。然后由線生成面，進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作、添加接觸對、設(shè)置載荷（施加軸向拉力載荷50 MPa）、求解結(jié)果。本文涉及到幾種針對S59 鉆桿接頭的改進(jìn)方案，因而涉及到對不同接頭的有限元加載分析。幾次分析過程均與S59 鉆桿接頭的分析過程相同，例如施加的載荷均為50 MPa。

1.4 讀取ANSYS 分析結(jié)果

在ANSYS 有限元軟件中完成仿真實(shí)驗(yàn)后，可以得到鉆桿接頭受力后的應(yīng)力云圖、鉆桿接頭處產(chǎn)生的應(yīng)力最大值、應(yīng)力分布狀況等信息。對比幾組數(shù)據(jù)可以得到效果較好的模型，也有利于進(jìn)一步分析改進(jìn)。

2 S59 鉆桿接頭螺紋的分析

將S59 鉆桿接頭螺紋［3］配合后的二維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元仿真分析，得到如圖3、圖4 的應(yīng)力云圖。

圖3 S59 鉆桿接頭整體應(yīng)力云圖

圖4 S59 鉆桿接頭局部應(yīng)力云圖

在應(yīng)力云圖中，明顯看出應(yīng)力集中現(xiàn)象和較大應(yīng)力均產(chǎn)生在螺紋接觸對處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一個螺紋牙的接觸部位。其最大應(yīng)力值σmax=727 MPa。

3 應(yīng)用控制變量法對S59 鉆桿接頭螺紋進(jìn)行改進(jìn)

3.1 將S59 鉆桿接頭錐度由1：30 調(diào)整為1：16

對S59 鉆桿接頭的錐度進(jìn)行改進(jìn)（即把錐度1：30 改進(jìn)成1：16）后，通過ANSYS 應(yīng)力云圖可知應(yīng)力最大值σmax=2 870 MPa，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，螺紋受力增大。局部及整體應(yīng)力云圖如圖5 圖6。

3.2 改變梯形牙型尖角為半徑0.06 mm 圓弧

由于梯形螺紋尖角的存在導(dǎo)致了應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，鉆桿接頭螺紋部位有較大的破壞力。所以改梯形尖角為圓弧，如圖7、圖8。

圖5 1:16（有密封夾角）局部應(yīng)力云圖

圖6 1:16（有密封夾角）整體應(yīng)力云圖

只對S59 鉆桿接頭的錐度進(jìn)行改進(jìn)，通過ANSYS 應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力σmax=12500MPa。密封尖角部位受力過大，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7 改進(jìn)前的接觸牙型

圖8 改進(jìn)后的接觸牙型

3.3 增加接觸的螺紋牙對數(shù)

S59 鉆桿接頭只有3～4 個相互配合的螺紋對，應(yīng)力基本分布在螺紋接觸部位。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，70%的鉆桿失效和破壞的原因是鉆桿接頭螺紋接觸部位承受應(yīng)力過大［4］，所以我們針對增加配合牙型的對數(shù)能否減小最大應(yīng)力進(jìn)引了相應(yīng)的研究。

對S59 鉆桿接頭接觸的螺紋對數(shù)進(jìn)行改進(jìn)（增加1對接觸的螺紋對）后，通過ANSYS 應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力最大值σmax=3 500 MPa，產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力較大，密封尖角部位受力過大，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

對比上述幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，參數(shù)調(diào)整后的鉆桿接頭所產(chǎn)生的應(yīng)力大幅度增加，且在密封尖角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以我們猜測S59 鉆桿接頭螺紋密封方法存在弊端，導(dǎo)致最大應(yīng)力值偏大，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。由S59 鉆桿接頭螺紋的二維模型可知，S59 鉆桿接頭螺紋的密封形式為2 個銳形尖角的配合，如圖9。所以在后面的研究中，我們暫時去掉密封尖角來進(jìn)行研究。

4 去掉密封尖角的模型有限元分析

4.1 去掉S59 鉆桿接頭密封尖角（其他參數(shù)不變）

對去掉密封尖角的S59 鉆桿螺紋接頭進(jìn)行有限元分析后，得到的有限元分析結(jié)果為：σmax=789 MPa，與未去掉密封尖角相比，最大應(yīng)力值有所增大。

圖9 S59 鉆桿接頭的密封形式

圖10 S59 鉆桿接頭的去掉密封形式

4.2 S59 鉆桿接頭錐度由1：30 調(diào)整為1：16

把改進(jìn)后的S59 鉆桿接頭二維模型（密封尖角去掉）導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行有限元分析，得到整體應(yīng)力云圖圖11，局部應(yīng)力云圖12。

圖11 1:16 整體應(yīng)力云圖

圖12 1:16 局部應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖得，應(yīng)力集中和較大應(yīng)力均發(fā)生在接觸對部位，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一個牙型的接觸部位。應(yīng)力最大值σmax=589 MPa。

對比相同加載條件下標(biāo)準(zhǔn)S59 鉆桿螺紋接頭所做的應(yīng)力云圖可知，密封尖角改進(jìn)后的螺紋接頭的應(yīng)力最大值變小，應(yīng)力集中狀況有所好轉(zhuǎn)。綜上可知，1：16 錐度的鉆桿接頭對生產(chǎn)實(shí)踐有較大意義。

4.3 變梯形牙型尖角為半徑0.06 mm 圓弧

在圓弧改進(jìn)方面我們做了多組實(shí)驗(yàn)，如0.03 mm、0.05 mm、0.055 mm，0.08 mm 的圓弧等，最終發(fā)現(xiàn)半徑為0.06 的圓弧在所做圓弧實(shí)驗(yàn)組中效果較好。與S59 鉆桿接頭螺紋相比有較大優(yōu)勢。圖13 為其應(yīng)力云圖。由ANSYS 應(yīng)力云圖可知：σmax=902 MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在第一個接觸對處。應(yīng)力分布狀況得到明顯改善，且應(yīng)力較大的部位減少，達(dá)到了改善的目的。

4.4 增加螺紋牙的接觸對數(shù)

S59 鉆桿接頭螺紋只有3～4 個相互配合的螺紋對，由于應(yīng)力基本集中分布在接觸部位，所以針對增加配合牙型的對數(shù)是否能夠減小最大內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行了相應(yīng)的研究。圖14、圖15 為增加1 對接觸螺紋牙的二維模型和加載后得到的應(yīng)力云圖。

圖13 圓弧半徑為0.06 mm 鉆桿接頭加載后局部應(yīng)力云圖

在同樣的加載情況下，對此模型進(jìn)行有限元分析。由ANSYS 的應(yīng)力云圖得到σmax=693 MPa，最大應(yīng)力及應(yīng)力集中主要分布在接觸對部位。與S59 鉆桿相比，應(yīng)力最大值減小，應(yīng)力分布也比較均勻，這說明增加接觸螺紋對數(shù)有較好的結(jié)果。

圖14 增加一對接觸螺紋牙的二維模型

圖15 局部應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

為了提高鉆桿（接頭）的壽命，減少螺紋接頭所受的最大應(yīng)力，改善應(yīng)力分布狀況，我們在鉆桿接頭錐度、螺紋牙接觸對數(shù)、牙型等方面做了相關(guān)的有限元分析，得到如下結(jié)論：1）S59 鉆桿接頭螺紋的密封形式會導(dǎo)致應(yīng)力集中，但由于沒有提出新的密封形式，所以暫時去掉此種密封形式進(jìn)行研究，這種改進(jìn)有利于減少應(yīng)力集中現(xiàn)象、減小最大內(nèi)應(yīng)力。

2）對去掉密封尖角的S59 模型進(jìn)行改進(jìn)時我們發(fā)現(xiàn)：（1）適當(dāng)改變錐度有利于減小螺紋接頭所受的最大內(nèi)應(yīng)力值，改善應(yīng)力分布狀況。其中1：16 錐度的鉆桿接頭的效果最好。（2）改變螺紋牙型的尖角為圓弧有利于改善螺紋應(yīng)力分布狀況。所做的ANSYS 分析中圓弧半徑為0.06 mm的效果最好。（3）適當(dāng)增加接觸的螺紋對數(shù)有利于減小螺紋接頭所受的最大內(nèi)應(yīng)力，從而改善應(yīng)力分布狀況。

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