套管偏梯扣極限壓力失效仿真研究

摘 要：本文針對一種新開發(fā)偏梯扣Φ88.9×6.45mm p110采用有限元法分析了其在極限壓力載荷下的應力情況，同時計算極限失效載荷，分析了失效形式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：接頭在標準上扣后應力分布合理，極限壓力下接頭表現(xiàn)出管體爆破或壓潰，失效載荷大于API值。說明該接頭扣型設計能夠承受較強的徑向力。

關(guān)鍵詞：偏梯扣；極限失效；應力；有限元；失效載荷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.042

1 引言

Φ88.9×6.45mm p110 偏梯扣是一種新開發(fā)的油套管連接扣型，具有抗扭性能佳、氣密封性好、抗爆破能力強等優(yōu)點，還能和API普通接頭交換使用。與API NU 油管相比，該接頭工廠端與現(xiàn)場端采用了相同的螺紋牙型：牙型的螺距6牙/英寸，外螺紋齒高1.016mm，內(nèi)螺紋齒高1.219mm，錐度1：16，螺紋承載面3°，導向面10°。本文簡化了《ISO 13679：石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》[1]的極限承載試驗程序，分析了該扣型接頭在極限壓力載荷的應力情況，求出極限失效載荷。

2 有限元模型

2.1 套管接頭的受力特點

油套管螺紋所受的主要載荷有以下幾種[2-4]：石油管柱在油井中工作主要承受以下幾種力學載荷：上扣時的旋轉(zhuǎn)扭矩、管柱自重的軸向力、管柱中循環(huán)液體的內(nèi)外壓力。本文主要分析套管上扣后受到軸向壓力極限載荷。

2.2 網(wǎng)格模型

由于接觸問題本身邊界條件復雜，具有不確定性，而又要保證計算的精度與效率，采用四節(jié)點軸對稱四邊形縮減積分單元CAX4R。劃分網(wǎng)格后最終得到管體部分單元數(shù)10451個，接箍部分單元數(shù)9873個，有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。其中套管材料為鋼級P110，彈性模量210000MPa，泊松比0.3，管體屈服極限758MPa，管體壓力極限960MPa。

3 計算結(jié)果

（1）內(nèi)壓至失效。給接頭持續(xù)的內(nèi)壓作用后可以發(fā)現(xiàn)連接的管體出現(xiàn)了爆破現(xiàn)象，見圖2。進一步計算失效載荷為124.6MPa，該值比ISO10400[5]的規(guī)定值大（ISO10400本規(guī)格套管的抗內(nèi)壓強度為110MPa）。從計算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，管體應力始終小于接箍，當接頭管體內(nèi)壁出現(xiàn)屈服時，接箍嚙合起始1、2壓與不完整段末尾兩牙處于較高應力狀態(tài)，隨著內(nèi)壓載荷不斷加大，接頭管體壓潰失效，接箍整體應力也在增大，中面受到擠壓，應力增大明顯。

（2）外壓至失效。給接頭不斷增加外壓載荷，直到管體出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，見圖3。進一步計算失效載荷為140MPa，與ISO10400[5]標準給出的值相當。外壓持續(xù)加載過程中，接頭管體的應力始終大于接箍，當接頭管體內(nèi)壁大面積出現(xiàn)屈服時，接箍處于較低應力狀態(tài)，隨著外壓載荷不斷加大，接頭管體壓潰失效，接箍也只是在兩端出現(xiàn)應力增大的趨勢。

4 結(jié)論

通過分析可以得到以下結(jié)論：

（1）接頭應力分布趨勢合理。但由于接頭強度較高（110鋼級），擰緊后整體應力水平偏高，可考慮適當降低螺紋過盈量。

（2）接頭在極限壓力載荷作用下的失效表現(xiàn)形式分別為管體爆破和管體壓潰，且其抗外載能力大于API保證值，說明該型套管扣型設計能夠承受較強的徑向力。

參考文獻：

[1]ISO 13679：2002.Petroleum and natural gas industries—Proceduresfor testing casing and tubing connections[S].

[2]張建兵，白松，李雙貴，陳曉華.《ISO 13679：石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》的仿真方法[J].天然氣工業(yè)，2017，37（10）：66-72.

[3]白松，張建兵，杜志杰.基于ISO 13679熱循環(huán)試驗要求的套管特殊螺紋強度分析[J].石油礦場機械，2017，46（06）：40-46.

[4]李渭亮，白松，陳曉華等.基于ISO 13679的套管特殊螺紋極限承載能力仿真評價[J].鋼管，2017，46（03）：66-70.

[5]ISO 10400：2007.Petroleum and natural gas industries—Formulaeand calculations for casing， tubing， drill pipe and line pipeproperties[S].

基金簡介：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院校本項目“基于熱-力耦合模型的套管螺紋連接安全性評價”（編號：Gfy18-31）

作者簡介：白松（1991-），男，陜西商洛人，碩士研究生，助教，研究方向：計算機輔助工程。