海洋生產(chǎn)立管接頭特殊螺紋有限元分析*

王耀鋒，李愛(ài)利，劉遠(yuǎn)波，楊 虎，左其川，周亞輝，李秀珍

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721001；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721001）

海洋生產(chǎn)立管接頭特殊螺紋有限元分析*

王耀鋒1,2，李愛(ài)利1,2，劉遠(yuǎn)波1,2，楊 虎1,2，左其川1,2，周亞輝1,2，李秀珍1,2

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721001；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721001）

為了適應(yīng)海洋水下生產(chǎn)立管的苛刻工況，設(shè)計(jì)了一種頂端張緊式生產(chǎn)立管螺紋接頭，并采用有限元接觸分析模型對(duì)該接頭進(jìn)行了相關(guān)的力學(xué)分析。通過(guò)Abaqus有限元軟件計(jì)算對(duì)比了接箍螺紋與管體強(qiáng)度，模擬立管的上扣過(guò)程，計(jì)算最佳上扣扭矩，研究了該模型在上扣扭矩、上扣和內(nèi)壓、上扣和拉伸、上扣和拉伸及內(nèi)壓四種載荷下的密封性能。有限元分析結(jié)果表明，密封面接觸壓力隨內(nèi)壓的增加而增加，單軸拉伸載荷使得密封面的接觸壓力有所減小，拉伸載荷和內(nèi)壓共同作用時(shí)密封面上的接觸壓力呈增加趨勢(shì)，但是增加的幅度要比僅受內(nèi)壓作用時(shí)小。該海洋生產(chǎn)立管特殊螺紋的強(qiáng)度優(yōu)于管體，密封性能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

特殊螺紋；海洋生產(chǎn)立管；有限元分析

全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣能源的依存度逐年提高，雖然當(dāng)前原油價(jià)格持續(xù)走低，市場(chǎng)低迷，但海洋油氣開(kāi)發(fā)仍呈緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，是未來(lái)全球油氣開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì)[1]。海洋立管系統(tǒng)是連接水面浮式裝置和位于海床的海底設(shè)備的導(dǎo)管，有多種結(jié)構(gòu)，如自由懸掛的鋼懸鏈線立管（SCR）、頂端張緊式立管（TTR）、惰性S立管、陡峭型S立管、惰性波浪立管和陡峭型波浪立管等。

頂端張緊式立管屬于剛性立管，是深海立管的一種常用形式，一般用于鉆井、完井或生產(chǎn)，可分為鉆井立管和生產(chǎn)立管。頂端張緊式生產(chǎn)立管最早應(yīng)用于1984年的一艘Hutton的TLP船上，該船位于英國(guó)北海，水深148.13 m（486 ft）。TTR生產(chǎn)立管后來(lái)也用于1996年投入使用的第一艘SPAR平臺(tái)Neptune上。頂端張緊式生產(chǎn)立管工作時(shí)承受風(fēng)、浪、流、頂張力等動(dòng)態(tài)載荷，這些載荷隨時(shí)間作周期性變化，從而使得頂端張緊式生產(chǎn)立管產(chǎn)生交變應(yīng)力[2]。在交變應(yīng)力作用下，雖然立管系統(tǒng)中的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服極限，但長(zhǎng)期反復(fù)作用后，立管接頭或焊縫甚至本體也會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致立管疲勞失效。

雖然油套管特殊螺紋研究及評(píng)價(jià)技術(shù)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，并做了大量的相關(guān)研究[3-12]，但針對(duì)海洋水下頂端張緊式生產(chǎn)立管苛刻工況的特殊螺紋研究與應(yīng)用方面的研究卻很鮮見(jiàn)。本研究設(shè)計(jì)了一種海洋頂端張緊式生產(chǎn)立管螺紋接頭，并建立了有限元接觸分析模型。通過(guò)Abaqus有限元軟件計(jì)算對(duì)比了接箍螺紋與管體強(qiáng)度，模擬立管的上扣過(guò)程，計(jì)算最佳上扣扭矩，研究了該模型在上扣扭矩、上扣和內(nèi)壓、上扣和拉伸、上扣和拉伸及內(nèi)壓四種載荷下的密封性能。有限元分析結(jié)果表明立管特殊螺紋強(qiáng)度優(yōu)于管體，密封性能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

1 生產(chǎn)立管接頭結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

本研究涉及的海洋生產(chǎn)立管接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，接頭由母接頭、公接頭、特殊螺紋和密封圈組成。立管接頭主要參數(shù)見(jiàn)表1。立管接頭密封采用金屬過(guò)盈密封和彈性密封的復(fù)合密封方式，螺紋牙頂和牙底采用大圓角過(guò)渡，母接頭和公接頭螺紋端部設(shè)有應(yīng)力釋放槽。

圖1 立管接頭結(jié)構(gòu)示意圖

表1 立管接頭主要參數(shù)

2 生產(chǎn)立管有限元模型的建立

依據(jù)生產(chǎn)立管的方案設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)立管接頭結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，并建立了有限元模型。因立管主體可看成一旋轉(zhuǎn)體，為減少計(jì)算工作量，減小分析的規(guī)模，選擇平面軸對(duì)稱模型，按其約束及受力特征取其平面模型進(jìn)行分析計(jì)算。

首先采用Auto CAD設(shè)計(jì)軟件建立二維模型，再導(dǎo)入Abaqus軟件的軸對(duì)稱模型。建立的立管有限元模型如圖2所示。

圖2 立管有限元模型

2.1 假設(shè)條件

根據(jù)生產(chǎn)立管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析中采用了相應(yīng)的簡(jiǎn)化和假設(shè)：①接箍和立管材料為各向同性的；②立管材料進(jìn)入屈服后為各向同性強(qiáng)化；③不計(jì)小螺紋升角的影響。

2.2 材料力學(xué)性能參數(shù)

特殊螺紋公母接頭材料均選用合金鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理， σs≥588 MPa。

2.3 邊界條件及載荷

特殊螺紋接頭本體可簡(jiǎn)化為一平面軸對(duì)稱模型，下端部采用固定的邊界條件進(jìn)行約束計(jì)算。生產(chǎn)立管接頭內(nèi)部承受35 MPa的內(nèi)壓，接頭上端部加載124.4 MPa。立管接頭的邊界條件及載荷模型如圖3所示。

圖3 立管接頭的邊界條件及載荷模型

2.4 單元?jiǎng)澐?/h3>

采用平面四面體單元進(jìn)行劃分，對(duì)于螺紋承載處及扭矩臺(tái)肩、金屬過(guò)盈密封處均進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，主密封部分有限元單元均勻劃分為12個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分網(wǎng)格后的有限元模型見(jiàn)圖2。

2.5 不同工況下的分析計(jì)算

2.5.1 工況Ⅰ

工況Ⅰ—計(jì)算對(duì)比接箍螺紋與管體強(qiáng)度。目前工業(yè)界認(rèn)為，要提高接頭的連接效率，接頭的失效模式不允許是脫扣失效，而應(yīng)是斷裂失效，只有這樣，才能充分發(fā)揮接頭材料的潛力。因此在本工況中立管內(nèi)部承受35 MPa的內(nèi)壓，接頭上端部加載588 MPa。這個(gè)加載條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其真正工作時(shí)候的受力狀態(tài)，目的是研究接頭特殊螺紋的承載能力是否等于或者大于管體的承載能力。

2.5.2 工況Ⅱ

工況Ⅱ—模擬立管的上扣過(guò)程，計(jì)算最佳上扣扭矩。實(shí)際計(jì)算時(shí)，上扣過(guò)程用過(guò)盈量來(lái)模擬。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，立管在上扣到理想工作位置時(shí)各接觸面的干涉量是一定的。根據(jù)設(shè)定的過(guò)盈量，可以計(jì)算出立管接頭的應(yīng)力分布以及接觸面上各節(jié)點(diǎn)的接觸力。不考慮小螺紋升角的影響，上扣扭矩應(yīng)完全由密封面、臺(tái)肩面及嚙合面上的切向摩擦力所提供的反扭矩來(lái)平衡。通過(guò)Abaqus有限元軟件計(jì)算，可以得出過(guò)盈配合時(shí)嚙合面上的接觸反力，再由接觸反力計(jì)算出摩擦力，最后由摩擦力和半徑可得到最佳的上扣扭矩值。

2.5.3 工況Ⅲ

工況Ⅲ—各載荷下密封性能研究：①計(jì)算上扣載荷下，立管接頭上的應(yīng)力分布，研究上扣載荷下螺紋密封性能；②計(jì)算上扣+內(nèi)壓載荷，研究上扣+內(nèi)壓載荷下螺紋密封性能；③計(jì)算上扣+拉伸載荷，研究上扣+拉伸載荷下螺紋密封性能；④計(jì)算上扣+內(nèi)壓+拉伸載荷，研究上扣+內(nèi)壓+拉伸載荷下螺紋密封性能。

3 生產(chǎn)立管有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 工況Ⅰ

采用Abaqus軟件的后處理模塊，對(duì)有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算，生產(chǎn)立管工況Ⅰ條件下的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)立管工況Ⅰ條件下的應(yīng)力云圖

該工況下，應(yīng)力最大處為公接頭管體處，其值為653 MPa，母接頭管體處的應(yīng)力值與之相當(dāng)，接箍螺紋處的最大應(yīng)力只有584 MPa。這表明立管接箍的連接能力是優(yōu)于管體的，即當(dāng)管體已經(jīng)處于屈服的時(shí)候接箍處的應(yīng)力值還沒(méi)有達(dá)到，滿足了設(shè)計(jì)要求。

3.2 工況Ⅱ

通過(guò)設(shè)置過(guò)盈量模擬上扣過(guò)程，可以計(jì)算出上扣后各接觸面上的接觸壓力。不考慮小螺紋升角的影響，與上扣扭矩相平衡的反扭矩由各接觸面上的環(huán)向摩擦力提供，計(jì)算出接觸面上各節(jié)點(diǎn)的反力和半徑，由公式（1）可得出近似的上扣扭矩M。

式中：Fi—各節(jié)點(diǎn)接觸力，N；

Ri—各節(jié)點(diǎn)半徑，m；

μ—摩擦系數(shù)，鑒于螺紋表面鍍層以及螺紋脂的影響，取摩擦系數(shù)為0.02。

3.3 工況Ⅲ

該立管的設(shè)計(jì)載荷為：軸向拉力124.4 MPa，內(nèi)壓35 MPa。在設(shè)計(jì)載荷作用下，接頭的密封面會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變形，下面的分析基于公稱尺寸的上扣立管，在設(shè)計(jì)載荷情況下的計(jì)算結(jié)果。

立管上扣后，在拉伸和內(nèi)壓工況下，其接觸段的接觸壓力也會(huì)隨之變化。為了保證連接密封，接觸壓力不可以有顯著降低。在此，影響接觸壓力的有兩個(gè)因素：①軸向拉力，軸向拉伸使得立管管體從接箍中有往外滑動(dòng)的變形，這會(huì)導(dǎo)致密封段過(guò)盈配合量減??；②內(nèi)壓，立管的內(nèi)部壓力使得內(nèi)外接頭均有膨脹變形，從而影響接觸壓力。

3.3.1 上扣扭矩載荷

該載荷下的有限元計(jì)算結(jié)果表明，主密封第二個(gè)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大接觸力，其值為2.668×105N，扭矩臺(tái)肩接觸最大反力位置為節(jié)點(diǎn)為node757，最大接觸力為5.86×105N；該載荷下Mises最大應(yīng)力為583 MPa，出現(xiàn)位置為節(jié)點(diǎn)為node535。

3.3.2 上扣+內(nèi)壓載荷

該載荷下有限元計(jì)算結(jié)果表明，主密封第二個(gè)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大接觸力，其值為4.186×105N，扭矩臺(tái)肩接觸最大反力位置為節(jié)點(diǎn)為node757，最大接觸力為6.037×105N；該載荷下Mises最大應(yīng)力為564 MPa，出現(xiàn)位置為節(jié)點(diǎn)為node535。

3.3.3 上扣+拉伸載荷

該載荷下有限元計(jì)算結(jié)果表明，主密封第二個(gè)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大接觸力，其值為2.646×105N，扭矩臺(tái)肩接觸最大反力位置為節(jié)點(diǎn)為node757，最大接觸力為5.348×105N；該載荷下Mises最大應(yīng)力為520 MPa，出現(xiàn)位置為節(jié)點(diǎn)為node535。

3.3.4 上扣+拉伸+內(nèi)壓

該載荷下有限元計(jì)算結(jié)果表明，主密封第二個(gè)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大接觸力，其值為4.165×105N，扭矩臺(tái)肩接觸最大反力位置為節(jié)點(diǎn)為node757，最大接觸力為5.522×105N；該載荷下Mises最大應(yīng)力為502 MPa，出現(xiàn)位置為節(jié)點(diǎn)為node535。

該載荷下有限元計(jì)算結(jié)果表明，螺紋處的最大應(yīng)力值為283 MPa，小于許用應(yīng)力，未產(chǎn)生塑性變形，因此可有效避免粘扣現(xiàn)象，滿足重復(fù)使用的要求。對(duì)于金屬密封的部位重點(diǎn)考察接觸壓力和接觸長(zhǎng)度，主密封和臺(tái)階的接觸壓力云圖如圖5所示，該載荷下主密封長(zhǎng)度為10.2 mm，為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的93%，滿足設(shè)計(jì)要求；該載荷下扭矩臺(tái)肩密封長(zhǎng)度為7.2 mm，為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的81%。

圖5 上扣+拉伸+內(nèi)壓載荷下主密封和臺(tái)階的接觸壓力云圖

3.3.5 各載荷下密封性能研究

各載荷下主密封各節(jié)點(diǎn)的接觸力分布如圖6所示。按照以下兩個(gè)原則對(duì)設(shè)計(jì)的海洋生產(chǎn)立管特殊螺紋主密封性能進(jìn)行評(píng)價(jià)：①密封面的接觸壓力應(yīng)大于其可能承受的內(nèi)壓力；②上扣后密封面上的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)低于材料的屈服強(qiáng)度。

圖6 各載荷下主密封各節(jié)點(diǎn)接觸力分布

通過(guò)以上各載荷下有限元分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：各載荷下密封性能滿足設(shè)計(jì)要求，接觸壓力最大的點(diǎn)都在757節(jié)點(diǎn)，即處于扭矩臺(tái)肩上；單軸拉伸的作用使得密封面的接觸壓力減小，但幅度不大；有內(nèi)壓時(shí)公接頭的膨脹率要比母接頭大，使得公母接頭越壓越緊，密封面上接觸壓力隨內(nèi)壓的增加而增加；拉伸載荷和內(nèi)壓共同作用時(shí)，密封面上的接觸壓力呈增加趨勢(shì)，但是增加的幅度要比僅受內(nèi)壓作用時(shí)小。

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)海洋生產(chǎn)立管接頭的特殊螺紋，建立了有限元接觸分析模型。計(jì)算對(duì)比接箍螺紋與管體強(qiáng)度，模擬立管的上扣過(guò)程，計(jì)算最佳上扣扭矩，研究了該模型在上扣扭矩、上扣和內(nèi)壓、上扣和拉伸、上扣和拉伸及內(nèi)壓四種載荷下密封性能。

（2）有限元分析結(jié)果表明，立管特殊螺紋的強(qiáng)度優(yōu)于管體，單軸拉伸的作用使得密封面的接觸壓力減小，但幅度不大；內(nèi)壓時(shí)公接頭的膨脹率要比母接頭大，使得公母接頭越壓越緊，密封面上接觸壓力隨內(nèi)壓的增加而增加；拉伸載荷和內(nèi)壓共同作用時(shí)，密封面上的接觸壓力呈增加趨勢(shì)，但是增加的幅度要比僅受內(nèi)壓作用時(shí)小。

（3）有限元分析結(jié)果表明，立管特殊螺紋的強(qiáng)度優(yōu)于管體，密封性能可靠，能滿足設(shè)計(jì)要求。

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Finite Element Analysis of Special Thread for Marine Production Riser Joint

WANG Yaofeng1,2， LI Aili1,2， LIU Yuanbo1,2， YANG Hu1,2，ZUO Qichuan1,2， ZHOU Yahui1,2， LI Xiuzhen1,2
（1.Baoji Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721001， Shaanxi， China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center， Baoji 721001， Shaanxi， China）

In order to adapt to the harsh conditions of marine underwater production riser,a kind of top tensioning production riser threaded joint was designed,and the related mechanical analysis to this threaded joint were conducted by adopting finite element contact analysis model.Calculated and compared coupling thread and pipe body strength by Abaqus finite element software,simulated the make-up process of riser,calculated the best make-up torque,and simulated the sealing performance of the model under four kinds of loads,such as upper buckle torque,upper buckle and internal pressure,upper buckle and stretch,upper buckle and stretch and internal pressure.Finite element analysis results indicated that the sealing surface contact pressure increases with the increase of internal pressure,the uniaxial tensile load makes the sealing surface contact pressure reduce,the contact pressure on the sealing surface shows an increasing trend when the tensile load and internal pressure are combined,but the increase extent is smaller than that of the internal pressure.The strength of this marine production vertical pipe special threads is better than pipe body,the sealing performance is reliable and meets the design requirements.

special thread； marine production riser； finite element analysis

TE951

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.001

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“深水鉆井隔水管系統(tǒng)工程化研制”（項(xiàng)目編號(hào)2013AA09A222）；工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目“海洋鉆井平臺(tái)用深海隔水管系統(tǒng)研究及關(guān)鍵部件研制”。

王耀鋒（1980—），男，陜西寶雞人，工程師，2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，碩士，主要從事海洋水下石油裝備的研究。

2017-05-26

編輯：謝淑霞