玻璃鋼油管螺紋制作及連接有限元分析研究

孫衛(wèi)娟 （山東勝利職業(yè)學(xué)院教務(wù)科研處，山東 東營257097）

采用玻璃鋼油管代替普通鋼制油管用于井下采油工藝管柱，有效地解決了管桿的偏磨、腐蝕問題。但是，由于玻璃鋼油管柱在上下沖程時(shí)絲扣承受著復(fù)雜的交變載荷，現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)了螺紋脫扣現(xiàn)象。為充分發(fā)揮玻璃鋼油管在機(jī)械采油上的優(yōu)勢，通過對玻璃鋼油管螺紋的連接方式、螺紋制作材料及螺紋有限元應(yīng)力進(jìn)行研究，為改善玻璃鋼油管螺紋連接力學(xué)性能提供有力技術(shù)支撐，在井下玻璃鋼采油管柱承受復(fù)雜交變載荷的情況下，提升玻璃鋼工藝管柱的連接可靠性。

1 陽螺紋及接箍制作工藝

井下玻璃鋼油管的螺紋連接執(zhí)行API 5B《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗(yàn)規(guī)范》，其連接方式示意圖如圖1所示。

1.1 螺紋的試驗(yàn)性能分析

玻璃鋼油管接頭陽螺紋通常有先進(jìn)復(fù)合材料螺紋（模塑螺紋）和高精度磨削螺紋（磨制螺紋）2種加工形式［1］。為解決玻璃鋼油管接頭的接箍螺紋和陽螺紋采用何種螺紋加工形式，特進(jìn)行以下試驗(yàn)。

1）材料準(zhǔn)備 為了進(jìn)行模塑螺紋和磨制螺紋的力學(xué)性能對比，準(zhǔn)備2種試樣。試樣1：模塑陽螺紋短管（DN65－16MPa油管）、磨制管箍10組。試樣2：磨制陽螺紋短管（DN65－16MPa油管）、磨制管箍10組。

2）性能測試 ① 耐磨性試驗(yàn)。試樣1和試樣2分別選取5組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，陽螺紋分別編號，進(jìn)行螺紋單項(xiàng)檢測，包括螺距、齒高和錐度的檢測。用上扣機(jī)上扣磨制管箍，卸扣，測量并記錄陽螺紋短管和管箍的螺紋參數(shù)；然后再上扣、卸扣，同樣測量記錄螺紋各個(gè)參數(shù)，反復(fù)上扣卸扣，直到測量螺紋的參數(shù)不合格為止。記錄上卸扣的次數(shù)。②水壓試驗(yàn)。試樣1和試樣2分別選取5組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，管箍和陽螺紋連接，按照要求進(jìn)行1.5倍的額定壓力10min、2倍的額定壓力1h和1.5倍的額定壓力24h的水壓試驗(yàn)［2］。

圖1 玻璃鋼油管連接示意圖

3）試驗(yàn)結(jié)果 耐磨試驗(yàn)結(jié)果和水壓試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。由表1、表2結(jié)果可知，試樣1的耐磨性能和密封性能優(yōu)于試樣2，因此通過耐磨性試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①模塑陽螺紋在上卸扣時(shí)耐磨性能要好于磨制陽螺紋，且較容易上卸扣。②磨制管箍在上卸扣時(shí)的耐磨性能要好于陽螺紋。③通過水壓試驗(yàn)，采用磨制陰螺紋性能較為突出，24h穩(wěn)壓最高壓力可達(dá)到24MPa。

表1 耐磨試驗(yàn)結(jié)果

表2 水壓試驗(yàn)結(jié)果

1.2 螺紋制作工藝

1）陽螺紋制作 粘接工藝加工，模塑制作陽螺紋，模壓成型。為提高模塑陽螺紋的粘接性能，在螺紋錐度本體上加工多圈溝槽，提高其表面粗糙度，從而提高模塑螺紋與本體的粘接力。粘結(jié)采用石墨環(huán)氧復(fù)合材料玻璃纖維等粘結(jié)劑。

2）玻璃鋼接箍 采用磨制陰螺紋制作。

2 螺紋材料的創(chuàng)新——碳納米管／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

純環(huán)氧樹脂經(jīng)過固化后呈現(xiàn)的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在密度高、內(nèi)部應(yīng)力大、材料脆且韌性差等缺點(diǎn)。因此通常采用增韌劑來改善環(huán)氧樹脂的韌性以滿足實(shí)際使用要求。在力學(xué)性能方面，采用碳納米管（CNTs）摻入到環(huán)氧樹脂中以改善其力學(xué)性能。試驗(yàn)研究時(shí)采用三種類型的碳納米管，主要研究了功能化的CNTs作為增強(qiáng)相對改善DYD－127型環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并且在CNTs表面接枝了一些官能團(tuán)以參與到環(huán)氧樹脂的固化過程中，使得環(huán)氧樹脂在固化過程中與CNTs形成良好的界面［3］。

因此，對CNTs結(jié)構(gòu)與性能的深入試驗(yàn)研究，通過對其表面進(jìn)行修飾，增加其分散性、化學(xué)活性，可以更好地與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合，提高復(fù)合材料的性能，提高工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。

首先將原始的多壁碳納米管表面功能化，用濃硫酸和濃硝酸組成的混酸處理若干小時(shí)，得到了羧基化碳納米管；然后將羧基化的碳納米管和二氯亞砜回流處理，得到酰氯化的多壁碳納米管；最后將酰氯化的碳納米管和三乙烯四胺充分進(jìn)行取代反應(yīng)，最終得到胺基化的多壁碳納米管。通過以上處理，提高其在多種溶劑中的分散性［4］。利用三輥機(jī)將3種碳納米管按比例與環(huán)氧樹脂進(jìn)行充分混合，加入固化劑后攪拌均勻，然后在設(shè)定的固化工藝下進(jìn)行固化，得到所需的碳納米管環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

2.1 拉伸試驗(yàn)

在萬能試驗(yàn)機(jī)上根據(jù)國標(biāo)GB／T1447－2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法對碳納米管／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能的試驗(yàn)測試，每組3個(gè)試樣，試樣形狀啞鈴型，試樣形狀尺寸如圖2所示。

2.2 摩擦磨損性能測試

根據(jù)國標(biāo)GB3960－83耐磨性能試驗(yàn)方法，在M－2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測定復(fù)合材料的摩擦磨損性能，摩擦副接觸形式為環(huán)－塊接觸。試樣塊為矩形塊，具體尺寸為6mm×7mm×30mm，進(jìn)行試驗(yàn)前采用水磨砂紙打磨，表面粗糙度為0.1μm。試驗(yàn)條件為干摩擦，研究不同載荷和不同摩擦速度對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。由測得的摩擦力矩計(jì)算得到摩擦系數(shù)，用精確度為0.1mg的分析天平稱量測定試塊的磨損質(zhì)量損失，并換算成磨損率。同一工況下每組試樣至少做3組試驗(yàn)。

2.3 彎曲動(dòng)態(tài)疲勞性能測試

按照《GB／T1449－2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》的要求制作靜態(tài)彎曲試樣，試樣的形狀和尺寸如圖3所示。其中，試件厚度h為1.5～3mm，試件寬度b為15±0.5mm，試件長度L至少是20h。

圖2 拉伸性能測試試樣形狀和尺寸

由于進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞測試沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)可循，因此制作三點(diǎn)彎曲疲勞測試所需的試樣采取與靜態(tài)彎曲測試相同。將試樣對稱放置在兩支座上，測試時(shí)以2mm／min的速度進(jìn)行加載；對試件進(jìn)行連續(xù)均勻的加載直至試樣完全破壞，記錄彎曲模量和彎曲強(qiáng)度。

計(jì)算復(fù)合材料的極限振幅f可根據(jù)試樣靜態(tài)彎曲性能測試結(jié)果得出：

圖3 靜態(tài)彎曲性能測試試樣形狀和尺寸

式中，p為最大載荷，N；l為彎曲測試跨度，mm；E為試樣彈性模量，MPa；b、h分別為試樣寬度和厚度，mm。

由于沒有三點(diǎn)彎曲疲勞測試相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，該試驗(yàn)規(guī)定試件的疲勞振幅為最大極限振幅的30%、40%和50%，振動(dòng)頻率為15Hz。將試件置于三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上，使試件上下表面緊貼振動(dòng)的滾輪。在相應(yīng)疲勞振幅條件下進(jìn)行彎曲疲勞測試，振動(dòng)一定次數(shù)后按GB／T1449－2005測試該試件的彎曲模量，試件彎曲疲勞n次后的彎曲模量為En。當(dāng)En為初始彎曲模量E0的85%時(shí)，彎曲動(dòng)態(tài)疲勞測試方可停止。

表3 碳納米管－環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能測試對比

通過表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，環(huán)氧樹脂中加入0.5%的表面功能化碳納米管，其機(jī)械性能、耐磨性、抗疲勞性能能夠提高70%以上。

由于玻璃鋼油管柱應(yīng)力薄弱部分主要在螺紋處，玻璃鋼油管本體在工作過程中基本能滿足使用的要求，且由于碳納米管價(jià)格的昂貴，為了節(jié)省油管的制作成本，采用在本體螺紋膠泥上使用碳納米管／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料以提高模塑螺紋膠泥的強(qiáng)度。

3 螺紋連接有限元分析

螺紋的機(jī)械損傷主要有剪切、彎曲和壓碎等幾種，其破裂應(yīng)力與負(fù)載之間存在以下關(guān)系：

式中，p為破壞負(fù)荷，N；τ剪為螺紋牙承受的剪切應(yīng)力，MPa；d0、d1為螺紋的內(nèi)徑和外徑，mm；h為螺紋的有效高度，mm；β為與螺紋牙有關(guān)的形狀系數(shù)，1；σ彎、σ壓為螺紋牙承受的壓縮和彎曲應(yīng)力，MPa；z為螺紋牙有效圈數(shù)；s為螺距，mm。

由于玻璃鋼材料結(jié)構(gòu)的特性，其層間剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，因此玻璃鋼螺紋的破壞形式主要為螺紋牙的剪切破壞［5］。由式（2）可知，螺紋承受的剪切應(yīng)力與螺紋牙的形狀系數(shù) 成反比。

常見的3種螺紋牙型（梯形、矩形和三角形）中，梯形螺紋的形狀系數(shù)大約為0.62～0.68，矩形螺紋的形狀系數(shù)為0.5，而三角形螺紋的形狀系數(shù)接近于1。因此，在其他參數(shù)如螺紋尺寸和載荷都相等的情況下，三角形螺紋所承受的剪切應(yīng)力最小，斷裂負(fù)荷也比梯形和矩形螺紋高。在選擇螺紋牙型時(shí)，不宜采用梯形螺紋，尤其不宜選用矩形螺紋。

按照油管螺紋標(biāo)準(zhǔn)建立管螺紋的標(biāo)準(zhǔn)模型，分別對1800m、1600m和1500m這3種油井的玻璃鋼管柱進(jìn)行了分析，接箍分別采用了鋼制接箍和玻璃鋼接箍，且分析圓螺紋和梯形螺紋的受力情況。

3.1 圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接

首先進(jìn)行圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接試驗(yàn)，在1800m玻璃鋼油管柱螺紋接箍處的變形圖和應(yīng)力圖如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，管柱在1800m時(shí)，圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接，接觸應(yīng)力最大為77.162MPa，在玻璃鋼的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，螺紋總變形量為1.01mm。

圖4 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接受力變形

圖5 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接應(yīng)力

3.2 圓螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接

采用鋼制接箍與玻璃鋼油管公扣連接，1800m玻璃鋼管柱螺紋接箍處的變形圖和應(yīng)力圖如圖6、圖7所示。由圖6和圖7可知，圓螺紋玻璃鋼油管與鋼接箍連接，接觸應(yīng)力最大為98.558MPa，螺紋總變形量為0.85mm，比圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接的螺紋總變形量小0.16mm。因?yàn)殇摰膹椥阅Ａ繛椴Ａт搹椥阅Ａ康?0～12倍，所以螺紋總變形量小。

3.3 梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接

梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接，變形圖和應(yīng)力圖如圖8、圖9所示。由圖8和圖9可知，最大應(yīng)力發(fā)生在公扣第1個(gè)螺紋連接處，最大應(yīng)力值為99.168MPa。梯形螺紋的最大應(yīng)力比圓螺紋的應(yīng)力大22.006MPa?？傋冃瘟繛?.78mm，較圓螺紋變形大0.77mm。在同樣工況下，梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接螺紋最大接觸應(yīng)力及螺紋總變形量均大于圓螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接。

圖6 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接受力變形

圖7 1800m圓螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接螺紋處應(yīng)力

圖8 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接受力變形

圖9 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接螺紋處應(yīng)力

3.4 梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接

梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接，變形圖和應(yīng)力圖如圖10、圖11所示。由圖10和圖11可知，由變形圖、應(yīng)力圖知，采用梯形螺紋連接的玻璃鋼油管與鋼接箍，螺紋總變形量為0.63mm，小于梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接總變形量1.78mm；最大接觸應(yīng)力為114.323MPa，大于梯形螺紋玻璃鋼油管與玻璃鋼接箍連接的最大應(yīng)力99.168MPa。

同樣方法，采用圓螺紋玻璃鋼油管分別與玻璃鋼接箍、鋼制接箍連接，采用梯形螺紋玻璃鋼油管分別與玻璃鋼接箍連接、鋼制接箍連接，對1600m和1500m深的玻璃鋼采油管柱進(jìn)行了分析，綜合分析結(jié)果如表4。

由表4可知：隨著玻璃鋼管柱下入深度增加，螺紋受到的最大應(yīng)力增加。在相同深度下，圓螺紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應(yīng)力小于圓螺紋鋼接箍連接，梯形紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應(yīng)力小于梯形螺紋鋼接箍連接，圓螺紋鋼接箍連接最大接觸應(yīng)力小于梯形螺紋鋼接箍連接，圓螺紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應(yīng)力小于梯形螺紋玻璃鋼接箍連接。所以圓螺紋接箍連接受力性能優(yōu)于梯形螺紋接箍連接，玻璃鋼接箍連接受力性能優(yōu)于鋼制接箍連接。而圓螺紋玻璃鋼接箍連接受力性能是四類連接情況下最好的，如1800m時(shí)圓螺紋玻璃鋼接箍連接最大接觸應(yīng)力為77.162MPa，而圓螺紋鋼接箍連接、梯形螺紋玻璃鋼接箍連接、梯形螺紋鋼接箍連接最大接觸應(yīng)力分別為98.558、99.168、114.323MPa。

表4 螺紋接箍有限元分析匯總

圖10 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接受力變形

圖11 1800m梯形螺紋玻璃鋼油管與鋼制接箍連接螺紋處受力

4 結(jié)論

通過對玻璃鋼油管螺紋連接方式、螺紋制作材料試驗(yàn)性能分析及螺紋有限元應(yīng)力分析，得出如下結(jié)論：

1）采用模塑粘接制作陽螺紋、采用磨制螺紋制作接箍能提高螺紋連接的耐磨和密封性能。

2）制作螺紋的環(huán)氧樹脂中加入0.5%的表面功能化碳納米管，其機(jī)械性能、耐磨性、抗疲勞性能能夠提高70%以上。

3）采用圓螺紋連接時(shí)受力性能優(yōu)于采用梯形螺紋時(shí)的受力，采用玻璃鋼接箍與玻璃鋼油管進(jìn)行配對時(shí)螺紋應(yīng)力小于采用鋼制接箍與玻璃鋼油管配對時(shí)的螺紋應(yīng)力，推薦采用圓螺紋玻璃鋼接箍連接方式。

［1］呂貴平 .玻璃鋼螺紋的制造與強(qiáng)度 ［A］.第十五屆玻璃鋼／復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ［C］.北京：中國硅酸鹽學(xué)會(huì)玻璃鋼學(xué)會(huì)，2003：283～286.

［2］郭生武 .油田用玻璃鋼管 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［3］邱軍，陳典兵 .碳納米管及碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料研究進(jìn)展 ［J］.高分子通報(bào)，2012（2）：9～15.

［4］沈有斌，劉曉國 .水性碳納米管接枝改性環(huán)氧樹脂的合成 ［J］.化工進(jìn)展，2012，31（4）：857～860，865.

［5］馬來增，張辛，徐興平 .玻璃鋼油管失效分析及對策 ［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（11）：61～64.