螺紋過盈量對特殊螺紋接頭性能的影響

魯碧為，白 鶴，袁芳蘭，何石磊，張 峰，黨 濤

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西 寶雞 721008；

2. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；

3. 西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061）

進(jìn)入20 世紀(jì)，隨著油氣井開采技術(shù)的不斷發(fā)展和井下工況的逐漸復(fù)雜，傳統(tǒng)的API 螺紋接頭由于自身結(jié)構(gòu)的缺陷而無法滿足油田客戶的使用要求；而特殊螺紋接頭通過設(shè)計獨特的機械結(jié)構(gòu)，可以很好地彌補API 螺紋接頭的設(shè)計缺陷?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，采用特殊螺紋接頭是油田客戶解決石油套管過早失效的有效措施之一［1-2］。為此，各生產(chǎn)廠家對特殊螺紋接頭展開了大量探究和特殊螺紋接頭專利產(chǎn)品開發(fā)。目前，對特殊螺紋性能研究方法主要有實物試驗法和有限元法。國內(nèi)外技術(shù)人員運用有限元法探究了不同螺紋結(jié)構(gòu)、不同密封過盈量條件下密封面接觸壓力的變化及接頭內(nèi)部應(yīng)力分布情況［3-8］，同時還考察了不同加載條件下接頭的密封性能和連接性能，并對不同特殊螺紋接頭的使用性能進(jìn)行了對比分析［9-10］；但關(guān)于螺紋過盈量對接頭密封性能和連接性能影響的探究相對較少。

本文利用ABAQUS 有限元軟件，分析了在上扣、上扣+拉伸條件下不同螺紋過盈量對特殊螺紋接頭密封接觸壓力和連接性能的影響，以期對特殊螺紋接頭的設(shè)計和后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 特殊螺紋有限元建模

1.1有限元模型

模擬采用Φ139.70 mm×9.17 mm 規(guī)格P110 鋼級的特殊螺紋接頭。該特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)特點如下：導(dǎo)向面45°，承載面3°，球面/錐面金屬過盈密封，-15°扭矩臺肩角；分析選用的內(nèi)外螺紋過盈量分別為-0.079 5，0，0.079 5，0.159 0，0.238 5，0.318 0 mm。

1.2 基本假設(shè)

為簡化分析，假設(shè)接箍和套管材料為各向同性，小螺紋升角忽略不計，套管和接箍在變形前的幾何尺寸都為理想狀態(tài)［11-12］。

基于模型特征和上述假設(shè)，特殊螺紋接頭分析可按二維軸對稱問題處理，計算采用彈塑性非線性有限元方法進(jìn)行分析。依據(jù)圣維南原理，為消除端部約束條件對螺紋連接處的影響，取管體長度為螺紋全長的3 倍［13］。特殊螺紋接頭有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1 所示，本次分析采用了軸對稱四節(jié)點單元，并在螺紋、密封面及臺肩處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，增加了分析結(jié)果的合理性。

圖1 特殊螺紋接頭有限元模型及網(wǎng)格劃分示意

1.3 模型邊界、載荷及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)接箍的對稱性，接箍中面的軸向位移為0 mm，因此在接箍對稱面的各節(jié)點上施加計算模型的軸向位移約束。軸向拉力以分布載荷的形式施加在相應(yīng)位置上，選用庫侖摩擦模型來模擬螺紋牙與牙之間、金屬對金屬密封面之間的接觸摩擦，摩擦因數(shù)取0.025［14-15］，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度取實測值827 MPa，抗拉強度取實測值891 MPa，軸向拉伸載荷為3 196 kN。

2 有限元結(jié)果及分析

2.1 上扣條件下

特殊螺紋接頭上扣后，接頭主密封面的接觸壓力分布如圖2 所示，起輔助密封作用的臺肩處的接觸壓力分布如圖3 所示。

圖2 上扣后接頭主密封面接觸壓力分布

圖3 上扣后臺肩處接觸壓力分布

從圖2 可以看出：特殊螺紋接頭上扣后，密封面的接觸壓力都呈先增大后減小的趨勢，密封面接觸長度在2 mm 左右，不同螺紋過盈量對密封面接觸壓力有一定的影響。當(dāng)螺紋過盈量為-0.079 5，0，0.079 5，0.159 0 mm 時，密封面處的接觸壓力區(qū)別不大，最大接觸壓力都在880 MPa 左右，接觸位置分布在距臺肩5.5~7.5 mm 處，密封性能好；當(dāng)螺紋過盈量為0.238 5，0.318 0 mm 時，密封面處的接觸壓力下降明顯，螺紋過盈量為0.238 5 mm 時，密封面處最大接觸壓力為840.05 MPa，螺紋過盈量增大到0.318 0 mm 時，密封面處的最大接觸壓力降為765.29 MPa，同時接觸位置向臺肩處移動，接觸位置分布在距臺肩4.7~6.7 mm 處。這是因為當(dāng)螺紋過盈量遠(yuǎn)小于密封面過盈量時，接頭上扣過程中，螺紋徑向過盈量移除完后，此時密封過盈量還有一大部分存在，隨后上扣過程才是密封面徑向位移的移除；因此，當(dāng)螺紋過盈量在-0.079 5，0，0.079 5，0.159 0 mm 4 種條件下上扣時，密封面的接觸壓力以及分布區(qū)別不大；當(dāng)螺紋過盈量接近密封面過盈量時，繼續(xù)增加螺紋過盈量進(jìn)行上扣，此時密封面的接觸壓力及分布變化明顯，螺紋過盈量越大，密封面接觸壓力越小，這是因為螺紋過盈量接近或超過密封過盈量后，隨著上扣的進(jìn)行，螺紋過盈量的移除對密封過盈產(chǎn)生了影響，當(dāng)密封過盈量移除完成后，此時螺紋部分還有一部分過盈量，隨著螺紋部分剩余過盈的繼續(xù)移除，抵消了一部分接觸壓力，內(nèi)外密封面同時發(fā)生垂直于接觸面的相對位移，造成接觸壓力降低，同時接觸位置向臺肩處移動。

從圖3 可看出：當(dāng)螺紋過盈量較?。?0.079 5，0，0.079 5 mm）時，臺肩處接觸壓力呈先增后減的趨勢，最大接觸壓力約為1 400 MPa；當(dāng)螺紋過盈量增大（0.159 0，0.238 5，0.318 0 mm）后，臺肩處接觸壓力呈兩頭高中間低的類馬鞍型趨勢，最大接觸壓力分別為1 209.33，834.467，1 148.56 MPa。當(dāng)螺紋過盈量與密封過盈量相近時，臺肩處最大接觸壓力最小且分布相對均勻。

2.2 上扣+拉伸條件下

2.2.1 螺紋過盈量對接頭密封性能的影響

在管體軸向施加3 196 kN（850 MPa）拉力后，當(dāng)軸向拉力達(dá)到材料的屈服強度時，接頭密封面的接觸壓力分布如圖4 所示。

圖4 拉伸載荷下接頭密封面接觸壓力分布

從圖4 可以看出：當(dāng)施加的軸向拉伸載荷等于材料屈服強度時，接頭密封面接觸壓力與上扣后的分布趨勢相同但下降明顯，隨著螺紋過盈量的增加，接頭密封面最大接觸壓力分別為772.73，772.12，764.05，727.02，647.84，553.12 MPa。這是因為當(dāng)螺紋為間隙配合或過盈量為0 mm 時，螺紋部分對密封面接觸壓力沒有影響，密封接觸壓力變化不大且分布位置相同，最大接觸壓力都約為772 MPa；隨著螺紋過盈量的增大，密封面接觸壓力一部分被螺紋過盈量抵消，導(dǎo)致密封面接觸壓力降低，密封性能變差。

2.2.2 螺紋過盈量對接頭連接性能的影響

圖5 所示為拉伸載荷等于材料屈服強度時該特殊螺紋接頭的mises 應(yīng)力分布。從圖5 可以看出：特殊螺紋接頭的mises 應(yīng)力呈兩端高中間低的趨勢，隨著拉伸載荷的不斷增加，材料開始發(fā)生塑性徑縮變形后，首先會在嚙合的第一扣非完整螺紋開始出現(xiàn)徑向位移，隨后沿后續(xù)嚙合扣向后擴展直至整個特殊螺紋接頭發(fā)生失效。通過考察內(nèi)外螺紋每一扣的嚙合位置隨載荷增加的相對徑向位移增量來判斷特殊螺紋接頭的失效形式：隨著軸向拉伸載荷增加，材料發(fā)生徑縮變形時，若內(nèi)外螺紋每一扣上的嚙合位置相對徑向位移差值都變大，表明該特殊螺紋接頭在拉伸過程中有滑脫趨勢；若內(nèi)外螺紋某一扣上的嚙合位置相對徑向位移差值發(fā)生了變化，而后續(xù)螺紋扣相對徑向位移差值不變，則表明該特殊螺紋接頭在拉伸過程中這一扣之前有滑脫失效的趨勢，并在該扣處發(fā)生斷裂；若隨拉伸載荷增加，內(nèi)外螺紋嚙合位置徑向位移差值保持恒定，則表明特殊螺紋接頭沒有滑脫趨勢，在螺紋第一扣處或管體發(fā)生斷裂失效。

圖5 拉伸載荷等于材料屈服強度時螺紋接頭的mises 應(yīng)力分布

圖6 所示為不同螺紋過盈量條件下接頭螺紋徑向位移差值分布。從圖6（a）可以看出：當(dāng)接頭螺紋間隙配合時，隨著軸向載荷的增大，前3 扣螺紋的相對徑向位移差值也增大，說明螺紋在前3 扣嚙合處有明顯的滑脫趨勢，而在嚙合的第13 扣處，相對徑向位移差值沒有變大，甚至有略微變小的趨勢。這是因為螺紋間隙配合時，承載面倒角處在承受很大接觸壓力時有小量的塑性變形，造成第13扣處相對徑向位移差值略微變小，這說明接頭在該處呈現(xiàn)出斷裂的趨勢。同理，從圖6（b）~（c）可以看出：當(dāng)螺紋過盈量為0，0.079 5 mm 時，螺紋前3 扣有明顯滑脫趨勢，而分別從第13 扣、第8 扣往后呈現(xiàn)斷裂趨勢。圖7 所示為螺紋過盈量為0 mm 時接頭拉伸失效形貌，拉伸極限試驗斷裂位置發(fā)生在螺紋第8 扣。當(dāng)螺紋過盈量增大到0.159 0，0.238 5，0.318 0 mm 后，螺紋嚙合前3 扣隨著軸向載荷加大，相對徑向位移差值保持不變，螺紋沒有發(fā)生徑向相對位移，說明在該螺紋過盈量為0.159 0 mm 或更大時，整個螺紋沒有滑脫，接頭連接性能良好，拉伸極限試驗斷裂位置發(fā)生在管體。圖8 所示為螺紋過盈量為0.159 0 mm 時接頭拉伸失效形貌，拉伸極限試驗在管體處發(fā)生了斷裂。因此，特殊螺紋接頭螺紋過盈量的確定要綜合考慮接頭的連接強度和密封性能。

3 結(jié) 論

以Φ139.70 mm×9.17 mm 規(guī)格P110 鋼級球面/錐面密封形式的某特殊螺紋接頭為研究對象，得出了以下結(jié)論：

（1） 上扣后，當(dāng)螺紋過盈量較小時（-0.079 5，0，0.079 5，0.159 0 mm），密封面處接觸壓力變化不大，密封性能良好；隨著螺紋過盈量的增加，密封面接觸壓力下降明顯，密封性能變差。當(dāng)螺紋過盈量較小時，臺肩處接觸壓力呈類拋物線；當(dāng)螺紋過盈量增大時，臺肩處接觸壓力呈類馬鞍型，接觸壓力下降。

（2） 上扣+拉伸條件下，隨著螺紋過盈量的增加，密封面接觸壓力下降，密封面性能變差，同時接觸位置向臺肩處移動；接頭密封面接觸壓力與上扣后相比下降明顯。

（3） 上扣+拉伸條件下，當(dāng)螺紋過盈量 ∧0.079 5 mm 時，拉伸失效斷裂發(fā)生在螺紋處；當(dāng)螺紋過盈量∧0.159 0 mm 時，拉伸失效斷裂發(fā)生在管體。

圖6 不同螺紋過盈量條件下接頭螺紋徑向位移差值分布

圖7 螺紋過盈量為0 mm 時接頭拉伸失效形貌

圖8 螺紋過盈量為0.159 0 mm 時接頭拉伸失效形貌

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