超高溫高壓流變儀耐壓測試腔螺紋設(shè)計與強度校核研究

鄧都都，李進，韓天夫，趙建剛，丁明，孫涌，許云博，李慧想

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.青島海通達專用儀器有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

高溫高壓測試腔是國家重大科學(xué)儀器專項《超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項目中研制的關(guān)鍵部件之一。該部件的研制能夠有效解決在超高壓力超高溫度的試驗條件下測試鉆井液、壓裂液等各種牛頓流體或非牛頓流體的流變性，為超高溫高壓鉆井液流變儀的研制成功起到了關(guān)鍵作用。根據(jù)測試需求，超高溫高壓流變儀工作時耐壓測試腔內(nèi)部最高壓力達到220 MPa，最高工作溫度320 ℃，設(shè)計的耐壓測試腔水壓試驗壓力更是要達到260 MPa，超高的壓力對螺紋副的強度提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2 超高溫高壓耐壓測試腔整體設(shè)計

通過前期的材料優(yōu)選和仿真設(shè)計研究，完成了超高溫高壓耐壓測試腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計。實際的整體設(shè)計見圖1，其主體由泥漿杯、中間體、上端帽組成，這三部分采用螺紋副連接。

圖1 超高溫高壓耐壓測試腔體整體設(shè)計圖

根據(jù)耐壓測試腔的整體設(shè)計要求，該螺紋連接副為非密封的承壓螺紋，螺紋用鋼為哈氏高強度耐腐蝕合金鋼。耐壓測試腔實際工作中頻繁的操作會造成工作壓力和載荷的變化，而且測試時流體高速旋轉(zhuǎn)也會產(chǎn)生一定的壓力波動，這些都會導(dǎo)致耐壓測試腔螺紋副承受交變循環(huán)應(yīng)力，對于這種超高壓容器一般峰值應(yīng)力高，破壞時循環(huán)周次低，需要按照低周疲勞作為基礎(chǔ)來設(shè)計，提高螺紋副的抗疲勞強度，保證耐壓測試腔在正常使用過程中不發(fā)生破壞[1]。

耐壓測試腔的水壓試壓最高達到260 MPa，此時螺紋副承受軸向峰值載荷巨大，需要合理的設(shè)計并按照靜強度理論校核其強度，以保證螺紋連接的安全可靠。

3 螺紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于螺紋副聯(lián)接在承受載荷時，旋合的各圈螺紋實際受力是不均勻的，從起始端向末端逐級遞減，實際前1/3長度的螺紋已經(jīng)承受了總載荷的60%～70%，后2/3螺紋僅承受了總載荷的30%～40%[2，3]。傳遞力的第1圈螺紋所受載荷最大，以后各圈遞減，螺紋副的旋合長度越長，整體結(jié)構(gòu)受力的不均勻程度就越明顯；因此，單純地增加旋合長度對于提高螺紋副的承載能力并不能起到根本的作用。針對于超高溫高壓腔體的使用需求，需要綜合多方面的考慮，完成螺紋副的設(shè)計，最大程度的提高螺紋副的疲勞強度[4]。

3.1 選擇合適的螺紋牙形[5]

根據(jù)流變儀測試需求，耐高壓腔體的螺紋在測試時需要承受巨大的載荷，測試后又需要快速方便的開啟。普通的粗牙螺紋自鎖性能與抗剪切性能較好，應(yīng)用廣泛；但是其抗拉強度不夠，又不耐磨，難以滿足超高壓容器的使用需求。普通螺紋螺距短，牙型高度較小，導(dǎo)致這種螺紋強度遠低于梯形螺紋。梯形螺紋具有工藝性能好、牙根強度高、螺紋副對中性能好的特點，抗拉和抗剪切性能優(yōu)良，螺紋旋合與拆卸方便，已在很多儀器中得到了應(yīng)用[6,7]。

3.2 降低螺紋牙的應(yīng)力集中

由于筒體螺紋的牙根和退刀槽部位結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，也是產(chǎn)生疲勞裂紋引起斷裂的危險部位，特別是受力很大的第1～2圈螺紋處，情況更為嚴重。為了降低該處的應(yīng)力集中，對牙底做大圓弧處理，可以在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡可能的增大牙底的圓角半徑，牙頂做倒角處理，充分保證螺紋的圓滑過渡，也能更好的保證螺紋副快速的安裝與拆卸，具體的優(yōu)化設(shè)計見圖2。這樣的設(shè)計能夠有效地減少螺紋根部的應(yīng)力集中，提高螺紋的疲勞強度。

圖2 改進的螺紋牙形

3.3 改進螺紋受力部位

根據(jù)螺紋的實際受力情況，螺紋承受最大載荷的部位是在受載端的最初幾圈螺紋，該部位螺紋的結(jié)構(gòu)剛度與螺紋所能承受的最大應(yīng)力有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)剛度大，螺紋在承受載荷時的變形就小，螺紋根部的應(yīng)力集中就明顯；相反，局部剛度適當降低，可以增大螺紋由于受載產(chǎn)生的變形，由于變形協(xié)調(diào)，局部較高的應(yīng)力峰值就降低了，從而減少了應(yīng)力集中。因此，通過改變螺紋部位的實際受力點的位置，人為地將最大作用力從端部轉(zhuǎn)移到第2～3圈螺紋處，改善了整體螺紋的受力分布情況，可以起到降低應(yīng)力峰值的作用，改進后螺桿受力位置如圖3所示。采用圖示中的結(jié)構(gòu)有效的降低了螺紋的局部應(yīng)力峰值，提高螺紋的疲勞強度。

圖3 改進螺紋受力位置

3.4 改進螺紋加工工藝

由于螺紋本身結(jié)構(gòu)具有特殊性，螺紋副的整體的接觸性能是否良好，對螺紋副的抗疲勞強度有很大影響，實際加工時應(yīng)該盡可能的提高加工精度，降低螺紋受力面的表面粗糙度，可以降低萌生裂紋的數(shù)量和尺寸，從而明顯地提高疲勞壽命。采用滾壓工藝對螺紋進行強化處理[8,9]，滾壓強化是使用一個與螺紋根部的圓角幾何尺寸完全相同的滾輪，在零件旋轉(zhuǎn)時對螺紋施加一定的壓力，使金屬表面產(chǎn)生一個彈塑性變形層，在這個變形層內(nèi)造成了很高的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強度。有實驗研究表明，滾壓強化后螺紋整體疲勞強度極限能夠提高60%[10]。

4 螺紋強度校核

4.1 受力情況

根據(jù)超高溫高壓流變儀耐壓測試腔的整體設(shè)計，腔體實際為上端帽、中間體和泥漿杯三部分組成，實際的螺紋連接結(jié)構(gòu)有兩部分，即為中間體與上端帽之間、中間體與泥漿杯之間?？紤]到耐壓測試腔體泥漿杯與上端帽內(nèi)體聯(lián)通為一個整體，實際加液壓后內(nèi)部的壓力相同。通過分析比較上端帽承載面積明顯小于泥漿杯的承載面積，下部泥漿杯產(chǎn)生的軸向應(yīng)力要明顯大于上端帽，而兩個部分的螺紋副旋合長度也相當，故只需要對中間體與泥漿杯之間的連接螺紋進行強度校核即可。根據(jù)機械設(shè)計理論，當螺桿與螺母材料相同時，由于螺桿的小徑d小于螺母的螺紋的大徑D，螺桿螺紋牙受力要大于螺母螺紋牙的受力，實際只需校核螺桿強度即可。

4.2 螺紋參數(shù)

實際設(shè)計的的螺桿梯形螺紋結(jié)構(gòu)特征如圖4，其中P=6.35 mm，牙型角θ=29°，螺紋牙型高度h=4 mm，牙底圓半徑R=1.38 mm，螺桿螺紋大徑D=6.5 mm，螺桿螺紋中徑d=64.5 mm。螺紋總牙數(shù)a=8.3，考慮實際裝配中的工藝因素，有效嚙合的螺紋牙數(shù)為b=6。

圖4 梯形螺紋結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)文獻[11]對于螺紋連接壓力分布的研究，可以知道分配系數(shù)分布在各扣螺紋上具有一定的規(guī)律，約前1/3螺紋牙的承載水平較高。承載力最大的螺紋牙承受的軸向載荷大約為整個螺桿平均承載水平的一倍。根據(jù)這一理論可以知道，實際校核時只需校核承受力最大的一個螺紋牙，如果其滿足強度要求，其他的螺紋牙必然也滿足，校核時應(yīng)該同時考慮彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，選擇第四強度理論來進行校核。

4.3 螺桿最大軸向載荷計算

選擇加壓的工況是在耐壓測試腔體的水力試壓極限，即內(nèi)部壓力Pt=260 MPa時，此時由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向載荷W：

根據(jù)文獻給出的經(jīng)驗公式可知，實際作用在螺紋上的最大軸向載荷W0應(yīng)該為所用承載螺紋的平均應(yīng)力的兩倍，根據(jù)設(shè)計有效嚙合的螺紋牙數(shù)為6，則螺紋牙上最大的載荷計算如下：

4.4 螺紋的最大應(yīng)力

根據(jù)公式，此時有作用在螺紋上的最大剪應(yīng)力與最大彎曲應(yīng)力計算如下：

(1)剪切應(yīng)力τ

(2)彎曲應(yīng)力σ

根據(jù)第四強度理論計算此時螺桿上產(chǎn)生的最大當量應(yīng)力σca為：

螺桿采用哈氏高強度耐腐蝕合金鋼，材料的抗拉強度σb=790 MPa，根據(jù)公式可知該螺紋的安全系數(shù)n=σb/σca= 3.3，根據(jù)我國高溫高壓容器安全使用規(guī)定安全系數(shù)取值范圍為2.5～4.0，驗證可知該設(shè)計的螺紋副完全滿足實際工作需求。

5 結(jié)論

本文從螺紋選型、降低螺紋牙應(yīng)力集中、改進螺紋受力結(jié)構(gòu)、改善螺紋的加工工藝方面對超高溫高壓流變儀耐壓測試腔的螺紋進行了合理的設(shè)計，有效地提高了螺紋副的抗疲勞強度。通過第四強度理論對螺紋副進行了強度校核，結(jié)果表明，在水壓試壓260 MPa的條件下，耐壓測試腔的螺紋連接是可靠的。

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