復(fù)合載荷作用下特殊螺紋套管接頭性能分析*

宋偉偉 ，紀(jì)愛敏* ，李 塹 ，樊鑫業(yè) ，許才斌

(1．河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022;2．江蘇常寶鋼管股份有限公司，江蘇常州213018)

0 引 言

套管接頭運(yùn)用螺紋的連接作用，把幾百根套管連接起來形成長度達(dá)到幾千米的管柱，從而能夠開采到貯藏在地表下石油。螺紋接頭在套管連接中是最容易失效的位置，其性能直接決定了整個(gè)套管柱的使用壽命。油套管螺紋接頭一般分為兩種:①按照API 標(biāo)準(zhǔn)而生產(chǎn)的螺紋接頭，包括圓螺紋和偏梯形螺紋的;②各個(gè)廠家根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境而自行研究開發(fā)的特殊螺紋接頭［1］。雖然對(duì)圓螺紋和偏梯形螺紋的接頭的研究較早，同時(shí)加工這兩種螺紋的設(shè)備和技術(shù)都比較完善，能夠減少很多不必要的成本。但是其存在很多缺點(diǎn)，如接頭連接強(qiáng)度較低、接頭應(yīng)力水平高易失效，密封性能不可靠。隨著油氣資源鉆采技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了很多深井、超深井和天然氣井，使得油套管接頭的使用條件更加的惡劣，API 螺紋由于本身存在的缺點(diǎn)已經(jīng)不能滿足日益惡劣的使用環(huán)境，各大油套管接頭的生產(chǎn)廠商開始認(rèn)識(shí)到特殊螺紋接頭的研究的重要性和必要性［2-3］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元方法逐漸成為了一種方便有效的分析問題的方法，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了非常廣泛地使用。利用有限元方法對(duì)在復(fù)合工況下套管螺紋接頭進(jìn)行力學(xué)性能分析，可以降低套管設(shè)計(jì)的周期和設(shè)計(jì)成本，也為套管設(shè)計(jì)提供了比較科學(xué)詳細(xì)的論據(jù)［4-7］。

本研究選擇使用ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)外徑為177．8 mm、壁厚為9．19 mm 的特殊螺紋套管接頭進(jìn)行有限元建模和性能分析，利用ANSYS 中接觸分析功能模塊分析特殊螺紋套管接頭在上扣過盈配合、遞增的軸向拉力、遞增的內(nèi)壓以及復(fù)合載荷下的連接性能和密封性能。

1 套管螺紋接頭模型簡化和網(wǎng)格劃分

該螺紋套管接頭的螺紋牙形是對(duì)偏梯形螺紋進(jìn)行了稍微的調(diào)整改造而成的，同時(shí)選擇使用錐面對(duì)錐面的主密封與負(fù)角度的扭矩臺(tái)肩的雙重密封形式，來加強(qiáng)套管接頭的密封性能。選擇－2．5°的扭矩臺(tái)肩的設(shè)計(jì)形式是為了對(duì)接頭上扣進(jìn)行定位控制，同時(shí)有利于提高接頭的抗粘扣的能力以及抗過扭矩能力，保證接頭不被破壞。套管接頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。螺紋接頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

表1 特殊螺紋接頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 特殊螺紋結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者在建模過程中考慮圣維南原理，有限元分析模型管體長度應(yīng)該大于整個(gè)螺紋長度的2 倍［8］。為分析螺紋套管接頭的管體和接箍的幾何結(jié)構(gòu)特征和材料特性，本研究在建模過程中運(yùn)用以下幾個(gè)假設(shè)條件［9-10］:套管接箍內(nèi)螺紋在接箍的中間面兩邊是對(duì)稱的，所以取中間面的一邊進(jìn)行有限元建模;接頭和套管關(guān)于中心軸線對(duì)稱，連接螺紋有螺紋升角，考慮到它的值很小，它對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響忽略不計(jì)，使用二維彈塑性軸對(duì)稱有限元簡化模型;套管接箍和管體的材料均滿足各向同性，同時(shí)當(dāng)接頭應(yīng)力超過屈服極限后滿足材料各向同性強(qiáng)化準(zhǔn)則。

本研究根據(jù)套管接箍結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和實(shí)際的載荷情況，約束住接箍中面沿軸向的移動(dòng)，徑向方向不施加約束。筆者選取PLANE182 單元，然后在材料特性中設(shè)置套管材料的相關(guān)參數(shù):材料的彈性模量E 為1．94 ×105MPa，密度為8 000 kg·m3，泊松比為0．3，屈服強(qiáng)度為758 MPa，抗拉強(qiáng)度為862 MPa。根據(jù)以上條件，本研究使用自由網(wǎng)格對(duì)套管接頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)螺紋和密封面的接觸處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格處理來增加分析的準(zhǔn)確性。

螺紋接頭在上扣后是非常復(fù)雜的非線性邊界條件接觸問題，套管螺紋接頭的接觸是典型的面-面接觸，本研究采用CONTA172 和TARGE169 接觸單元建立面-面接觸對(duì)，劃分完網(wǎng)格后在有限元模型的接觸面上建立接觸對(duì);對(duì)有限元模型進(jìn)行分析時(shí)，選擇庫倫摩擦模型來模擬套管主密封面和螺紋牙接觸表面的摩擦。摩擦系數(shù)和套管的加工質(zhì)量、套管的使用條件、螺紋表面粗糙度等很多原因有關(guān)，通常情況下取0． 015～0．035，本研究在分析時(shí)摩擦系數(shù)取為0．03。由于考慮到材料在受載荷后表現(xiàn)出幾何非線性的特點(diǎn)，求解過程中在ANSYS 的求解器中把求解類型設(shè)置成大變形情況。

根據(jù)上面的描述對(duì)套管接頭進(jìn)行簡化建模，設(shè)置單元屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到套管接頭有限元模型及加載示意圖如圖2 所示。

圖2 特殊螺紋套管接頭有限元模型及加載示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

套管上扣時(shí)，螺紋接頭產(chǎn)生過盈配合，隨著螺紋的不斷旋進(jìn)，套管接頭的應(yīng)力分布和接觸壓力的水平會(huì)不斷地變化。為了了解各載荷對(duì)螺紋接頭的使用性能的影響，筆者主要研究了套管在上扣后軸向力和內(nèi)部壓力對(duì)接頭性能的影響。

2．1 套管接頭上扣后管體和接箍的應(yīng)力水平分布

套管接頭采用過盈配合來模擬上扣扭矩，在螺紋處標(biāo)稱過盈量為0．14 mm，密封面標(biāo)稱過盈為0．321 5 mm。套管接頭在上扣后Von Mises 應(yīng)力水平和分布情況如圖3 所示。

圖3 上扣完全后套管接頭的Von Mises 應(yīng)力水平

由圖3 可以看出，特殊螺紋接頭上扣后，套管外螺紋和接箍內(nèi)螺紋彼此之間產(chǎn)生擠壓作用，從而在螺紋接頭密封面和扭矩臺(tái)肩上的Von Mises 應(yīng)力都較大，密封面為732 MPa 而扭矩臺(tái)肩達(dá)到824 MPa;應(yīng)力沿著套管大端方向逐漸減小直到接近0;在扭矩臺(tái)肩面與主密封面交匯的地方存在應(yīng)力集中，應(yīng)力值已經(jīng)大于材料的屈服強(qiáng)度758 MPa，表明在交匯區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生了輕微的塑性變形。但是，由于在這一區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力集中為壓應(yīng)力，并不會(huì)損壞套管接頭，接頭承載能力并沒被破壞。接頭管體的主密封面上的Von Mises 應(yīng)力值都處在屈服極限以下，所以主密封面上并沒有產(chǎn)生塑性變形，防止了套管接頭在旋緊過程中的粘結(jié)損傷。

2．2 軸向拉力對(duì)套管螺紋接頭連接和密封性能的影響

由于套管柱受到重力的作用，螺紋接頭連接處承受軸向的拉力?？拷途冢谔坠苤钌喜康奶坠芙宇^承受的軸向拉力最大，即整個(gè)套管柱的重量，增加了螺紋失效的可能性。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，減小損失，必須研究不同的軸向拉力對(duì)特殊螺紋接頭特性影響。

2．2．1 應(yīng)力分析

計(jì)算得到套管螺紋接頭在不同軸向拉伸載荷作用下的管體和接箍的應(yīng)力分布云圖如圖4 所示。與偏梯形螺紋接頭不同，特殊螺紋套管通過螺紋部分的相互嚙合來抵抗軸向拉伸載荷;螺紋部分不再起密封作用，而是通過設(shè)計(jì)的密封面和扭矩臺(tái)肩的來達(dá)到密封效果。由圖4 可以看出，隨著軸向拉伸載荷的不斷增大，扭矩臺(tái)肩和主密封面的最大等效應(yīng)力從456 MPa 增大到481 MPa，應(yīng)力的變化很小同時(shí)應(yīng)力的分布變化很小，說明軸向拉伸載荷對(duì)特殊螺紋套管接頭密封部分的應(yīng)力水平和分布影響不大;管體的應(yīng)力從196 MPa增大到574 MPa，靠近螺紋接頭兩端的幾個(gè)螺紋牙的應(yīng)力也由196 MPa 增大到了667 MPa，表明靠近接頭兩端的幾個(gè)螺紋牙承受了大部分的軸向拉力，軸向拉伸載荷過大，兩端螺紋應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，可能發(fā)生粘扣甚至失效。

2．2．2 密封性能的分析

圖4 不同軸向拉伸載荷下管體和接箍應(yīng)力水平

套管接頭上扣后施加不同軸向拉力下主密封面和扭矩臺(tái)肩的的接觸壓力分布如圖5 所示。

圖5 上扣后不同軸向拉力下密封面和臺(tái)肩接觸壓力

由圖5 可知，隨著距套管端部距離的增大，密封面上的接觸壓力的變化趨勢(shì)都是先增大到最大值后迅速下降到0。軸向拉伸載荷使套管與接箍在密封部分的產(chǎn)生了分離的趨勢(shì)。隨著放入井下套管不斷增加，軸向拉力不斷增加，密封面和扭矩臺(tái)肩面的過盈量不斷減小，降低了它們之間的接觸壓力，同時(shí)接觸區(qū)域的面積也不斷減小。由于臺(tái)肩面的接觸壓力是軸向的，臺(tái)肩面在軸向拉力的作用下接觸壓力下降得更為明顯;當(dāng)軸向拉伸載荷增加到3 000 kN 時(shí)，扭矩臺(tái)肩處就沒有接觸壓力，從而失去了輔助密封的作用。本研究在有限元模型的主密封面取8 個(gè)節(jié)點(diǎn)并查看它們的接觸壓力值，繪制出主密封面在不同拉伸載荷下的接觸壓力曲線示意圖如圖6 所示。隨著軸向拉力的不斷增大，特殊套管接頭主密封面的接觸壓力從上扣作用下的1 343 MPa減小到768 MPa，下降的程度比較明顯。但是軸向拉伸荷載為3 000 kN 時(shí)，密封面的接觸壓力為768 MPa，即仍然能夠有效地保證螺紋接頭不產(chǎn)生泄漏。

圖6 上扣+不同軸向拉力下主密封面的接觸壓力曲線示意圖

2．3 復(fù)合載荷對(duì)套管螺紋接頭性能的影響

本研究對(duì)套管接頭在上扣+軸向拉力3 000 kN+不同內(nèi)壓的復(fù)合載荷工況下進(jìn)行計(jì)算，得到了密封面的接觸壓力分布云圖。在主密封面上取8 個(gè)節(jié)點(diǎn)并查看它們的接觸壓力值后繪制出的密封面的接觸壓力曲線如圖7 所示。特殊螺紋接頭在內(nèi)部壓力的作用下使得套管管體和接箍出現(xiàn)向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，因此隨著內(nèi)部壓力不斷增加，它們之間將會(huì)越來越緊。管體內(nèi)部施加20 MPa 壓力時(shí)，由結(jié)果可以看出接頭主密封面上的最大接觸壓力為877 MPa，臺(tái)肩面的為438 MPa。隨著內(nèi)部壓力的不斷增大，接頭主密封面上的最大接觸壓力逐漸上升到了1 213 MPa，臺(tái)肩也上升到了539 MPa。說明在一定的范圍內(nèi)，管體內(nèi)壓越大，越有利于提高螺紋接頭的密封性。

圖7 復(fù)合載荷下密封面接觸壓力曲線

3 結(jié)束語

本研究選擇使用ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)外徑為177．8 mm、壁厚為9．19 mm 的套管接頭在上扣過盈配合、軸向拉伸載荷、內(nèi)部壓力載荷等復(fù)合載荷作用下的連接和密封性能進(jìn)行了分析研究。通過對(duì)應(yīng)力云圖和接觸壓力云圖的對(duì)比分析得到:軸向拉伸荷載對(duì)扭矩臺(tái)肩和主密封密封性能影響較大，內(nèi)部壓力的增大能夠提高接頭的密封性能。該研究結(jié)果為特殊螺紋套管的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

后續(xù)研究中，筆者將對(duì)有限元模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)特殊螺紋接頭性能的影響，并且對(duì)套管接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

［1］美國研究會(huì)． API SPEC 5CT，油管和套管規(guī)范:第8 版［S］．API Publishing Services，2005．

［2］蔡曉聞，高連新． 我國油套管特殊螺紋接頭的發(fā)展現(xiàn)狀［J］．焊管，2008，31(4):41-44．

［3］SUGINO M，NAKAMURA K，YAMAGUCHI S，et al． Development of an Innovative High-Performance Premium Threaded Connection for OCTG［C］//SIMULIA Customer Conference． Providence:［s．n．］，2010:25-27．

［4］吳稀勇，閆 龍，陳 濤．特殊螺紋接頭扭矩的分析［J］．焊管，2010，33(9):12-14．

［5］趙 鵬．石油鉆桿加厚過渡區(qū)失效分析及有限元分析的研究現(xiàn)狀［J］．鋼管，2009，38(5):28-34．

［6］XIE Jue-ren． Analysis of Strain Rate Impact on Make-up of Oilfield Premium Casing Connections［C］//SIMULIA Customer Conference． Providence:［s．n．］，2011:110．

［7］周 星，高學(xué)仕，李文勇．雙級(jí)套管螺紋連接有限元分析［J］．管道技術(shù)與設(shè)備，2009(5):31-32．

［8］石曉兵，陳 平，聶榮國，等．高壓對(duì)氣井套管接頭螺紋接觸應(yīng)力的影響研究［J］．石油機(jī)械，2006，34(6):32-34．

［9］高連新，張亞勤，李飛鍵，等． WSP 特殊螺紋接頭油井管的研制［J］．石油機(jī)械，2003，31(9):33-36．

［10］曹銀萍，張福祥．不同外載作用下特殊螺紋油管接頭應(yīng)力有限元分析［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2012，30(7):95-98．