雙主密封特殊螺紋油管接頭密封性能研究

王 磊，付 強(qiáng)，李 越，張成君，莫 麗，涂 煉

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300459；2.西南石油大學(xué)，四川成都610500）

隨著石油開采技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在深井、超深井、高壓氣井的開發(fā)過程中，大量使用了特殊螺紋油套管接頭[1]。特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)克服了API螺紋接頭自身性能的限制，通過抗扭臺肩與獨(dú)立的密封面實(shí)現(xiàn)多級密封[2]，因此具有更好的密封性能。

常見的特殊螺紋主要有球面對柱面、錐面對錐面、錐面對球面以及球面對球面4種密封結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)的密封性能主要通過理論研究[3-6]、有限元分析[7-10]和模擬實(shí)驗(yàn)[11-14]等方法來定性描述，缺乏全尺寸試驗(yàn)來驗(yàn)證其結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且研究多集中在單主密封結(jié)構(gòu)，對多級密封結(jié)構(gòu)研究較少。目前國內(nèi)具有代表性的特殊螺紋大量使用多級密封結(jié)構(gòu)，為此基于特殊螺紋密封機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種由錐面對錐面和柱面對球面組成的雙級主密封特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)。通過分析接頭在拉伸、壓縮、拉伸和內(nèi)壓、拉伸和內(nèi)外壓4種工況下，密封面接觸應(yīng)力和接觸長度的變化情況，研究螺紋接頭在極限載荷工況下的密封性和安全性。最后通過接頭樣件的全尺寸試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該螺紋接頭的性能，為以后多級密封特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。

1 密封理論

由流體力學(xué)原理可知，流體通過間隙時(shí)所產(chǎn)生的局部阻力主要與泄漏路徑長度和間隙截面積大小有關(guān)，并且接觸面上的接觸應(yīng)力與間隙的截面積大小呈反比[15]，它們之間的關(guān)系可表示為：

式中，ΔR為局部阻力；pt為接觸應(yīng)力；l為泄漏路徑長度。

該局部阻力等效于沿泄漏路徑l累積的接觸應(yīng)力，故該接觸面的臨界密封壓力可表示為：

式中，pcr為臨界密封壓力；K為常數(shù)。

當(dāng)金屬對金屬之間的密封面完全光滑時(shí)，為防止內(nèi)部流體泄漏，必須保證密封面上的接觸應(yīng)力大于內(nèi)部流體的壓力，但在實(shí)際應(yīng)用中，密封面難以保證完全光滑，即使是過盈配合的密封面間仍會存在細(xì)微的間隙[16]。從式（2）可以得出，密封面的臨界密封壓力與密封面上的接觸應(yīng)力和泄漏路徑長度成正比，應(yīng)從增大密封面的接觸應(yīng)力和接觸面積兩方面來提高金屬面之間的密封性能。但當(dāng)密封面的接觸應(yīng)力增大到超過材料的屈服極限時(shí)，會造成塑性破壞或應(yīng)力腐蝕；同時(shí)，隨著接觸面積增加，接觸應(yīng)力減小，復(fù)雜工況下接頭的密封效果難以保證。因此，研究不同載荷條件下金屬密封面的性能，具有重要意義。

2 有限元建模

2.1 模型建立

采用88.9 mm尺寸規(guī)格的雙主密封特殊螺紋接頭，承載面為-5°的改進(jìn)型偏梯形螺紋形式。由于一對螺紋接頭均為軸對稱零件，在均勻外載作用下，載荷也是軸對稱的，故沿螺紋接頭的軸線，對接頭采用二維軸對稱模型進(jìn)行有限元建模[17]。為保證計(jì)算結(jié)果的精度，考慮到圣維南效應(yīng)，模型取2倍管體小端至螺紋消失點(diǎn)的距離作為管體長度。幾何模型如圖1所示。

2.2 材料性能

螺紋接頭材質(zhì)采用馬氏體不銹鋼2Cr13，加工后通過熱處理達(dá)到API L80鋼級對應(yīng)的強(qiáng)度。對隨爐處理的樣件進(jìn)行實(shí)測，得到屈服強(qiáng)度σs=618 MPa，抗拉強(qiáng)度 σb=750 MPa，延伸率 δ=20。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知，2Cr13材料的彈性模量G=206 GPa，泊松比μ=0.3，金屬密封面之間的切向接觸采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)f=0.02[18-21]。

圖1 幾何建模Fig.1 Geometric modeling

2.3 接觸設(shè)置

考慮到螺紋接頭的螺紋段、密封面段和臺肩段的接觸條件和參數(shù)有些不同，故在ABAQUS軟件中要分別定義螺紋面、密封面和臺肩面的接觸屬性，以方便對每個(gè)接觸面上的接觸參數(shù)進(jìn)行修改，并將接觸面的接觸方式設(shè)置為面對面接觸。在ABAQUS/Standard分析中定義接觸對主從面時(shí)，將公螺紋接頭所在的接觸面定義為從面，母螺紋接頭所在的接觸面定義為主面，接觸面之間的相對滑動采用有限滑移。在接觸對上設(shè)置微小的過盈量，以保證分析開始時(shí)就已經(jīng)建立起接觸關(guān)系，便于模型收斂。

2.4 約束載荷

為了保證模型在整個(gè)分析過程中不發(fā)生剛體位移，模型中將約束施加在母螺紋接頭上。根據(jù)螺紋接頭對稱面的環(huán)向位移為零的特點(diǎn)，在ABAQUS里對母螺紋接頭對稱面的各節(jié)點(diǎn)上施加軸向位移約束，徑向方向自由。由于井下的工況比較復(fù)雜，不同工況下螺紋接頭承受的載荷也不同，這對接頭的密封性能提出了挑戰(zhàn)，故在有效模擬接頭上扣的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析螺紋接頭在受到軸向壓縮載荷、軸向拉伸載荷、軸向拉伸載荷＋內(nèi)壓、軸向拉伸載荷＋內(nèi)壓＋外壓4種工況載荷時(shí)，螺紋接頭密封面的接觸應(yīng)力及接觸長度變化情況，進(jìn)而研究螺紋接頭的密封性能。雙主密封接頭的加載工況如表1所示（拉力為負(fù)值時(shí)表示壓力），整體受載及約束如圖2所示。

2.5 網(wǎng)格劃分

利用ABAQUS軟件，對模型整體采用CAX4I即4節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性軸對稱單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并分別在螺紋連接、雙主密封面及扭矩臺肩處細(xì)化網(wǎng)格，并且保證接觸對中從面的網(wǎng)格比主面精細(xì)。經(jīng)過細(xì)化后的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 加載工況Table 1 Loading conditions

圖2 整體受載及約束Fig.2 Overall load and constraint

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model mesh partition

3 計(jì)算結(jié)果及分析

要得到4種工況下螺紋接頭密封面的接觸應(yīng)力及接觸長度，模型分析完后，按照螺紋設(shè)計(jì)的柱面和錐面長度，提取接觸應(yīng)力和接觸長度。在ABAQUS后處理模塊，在Field Output中選擇輸出場變量為CPRESS，即可得到接觸應(yīng)力的分布情況。

3.1 軸向拉伸載荷下密封性能分析

在井下工作時(shí)，油管接頭會承受較大的拉伸載荷，這增大了螺紋接頭密封泄漏的可能性。接頭上扣后，對接頭的雙主密封面分別沿軸向施加表1中工況1的3種拉伸載荷，得到柱面對球面和錐面對錐面密封面的接觸應(yīng)力及接觸長度隨拉伸載荷變化的分布曲線，如圖4所示。

圖4 不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布（軸向拉伸）Fig.4 Contact stress distribution of different contact faces(axial stretching)

由圖4（a）可知，隨著軸向拉伸載荷增加，柱面對球面密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力及接觸長度均略有減小。在900 kN軸向拉力下，柱面密封的最大接觸應(yīng)力為411.2 MPa，是300 kN拉力下柱面密封的最大接觸應(yīng)力（479.2 MPa）的85.8%；且接觸長度（2.20 mm）基本與300 kN拉力下的接觸長度一致。

由圖4(b)可知，隨著軸向拉伸載荷增加，錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力和接觸長度均有所減小，但錐面的接觸應(yīng)力和接觸長度比柱面減小得更快。在900 kN軸向拉力下，錐面密封的最大接觸應(yīng)力為190.3 MPa，是300 kN拉力下錐面密封的最大接觸應(yīng)力（299.2 MPa）的63.6%；接觸長度（2.37 mm）是300 kN拉力下的接觸長度（2.22 mm）的1.07倍。

從圖4還可以看出，在900 kN極限拉伸載荷下，螺紋接頭仍有部分密封面區(qū)域接觸應(yīng)力較大，具有一定的密封性能。

3.2 軸向壓縮載荷下密封性能分析

油管接頭在井下各種管柱力作用下受力復(fù)雜，集中表現(xiàn)為在井口處和井底處分別受到軸向拉伸載荷和軸向壓縮載荷。按照工況2的要求，對接頭的雙主密封面分別施加300、600 kN的軸向壓縮載荷，得到了柱面對球面和錐面對錐面密封面上的接觸應(yīng)力及接觸長度隨壓縮載荷變化的分布曲線，如圖5所示。

圖5 不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布（軸向壓縮）Fig.5 Contact stress distribution of different contact faces(axial compression)

由圖5（a）可知，柱面對球面密封的接觸應(yīng)力和接觸長度隨軸向壓縮載荷的增加而減小。在承受壓縮載荷時(shí)，柱面密封的接觸應(yīng)力隨著與錐面距離的增加，先急劇增加，然后快速下降，接著又快速增加，最后下降到0，應(yīng)力曲線出現(xiàn)2個(gè)明顯的波峰。在300 kN壓縮載荷下，柱面密封接觸長度為2.04 mm，最大接觸應(yīng)力720 MPa，超過材料的屈服極限，局部已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，很容易發(fā)生黏結(jié)。

由圖5（b）可知，錐面對錐面密封的接觸應(yīng)力隨著軸向壓縮載荷的增加而增大。在600 kN壓縮載荷下，錐面密封的最大接觸應(yīng)力為605 MPa，接近但未超過材料的屈服極限（618 MPa），密封面未失效。

綜合以上分析，接頭在壓縮載荷下的接觸應(yīng)力也能滿足密封要求，但是要采取措施防止接頭使用過程中可能出現(xiàn)的黏結(jié)情況。

3.3 軸向拉伸載荷和內(nèi)壓作用下密封性能分析

根據(jù)工況3的要求，先在接頭的雙主密封面上施加900 kN的軸向拉伸載荷并保持穩(wěn)定，然后在接頭的內(nèi)表面分別施加 10、30、50、70 MPa的壓力，得到了柱面對球面和錐面對錐面密封面上的接觸應(yīng)力及接觸長度在某一固定拉伸載荷下隨著內(nèi)壓變化的分布曲線，如圖6所示。

圖6 不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布（軸向拉伸+內(nèi)壓）Fig.6 Contact stress distribution of different contact faces(axial tension+internal pressure)

由圖6可知，柱面對球面及錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)上的接觸應(yīng)力和接觸長度均隨內(nèi)壓的增大而增加。在70 MPa高壓下，柱面對球面密封的最大接觸應(yīng)力為939 MPa，密封面較易發(fā)生黏結(jié)。錐面對錐面密封的接觸長度為2.76 mm，最大接觸應(yīng)力為398 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。

由以上分析可知，在一定范圍內(nèi)，隨著內(nèi)壓的增加，起始接觸應(yīng)力值略有下降，末端接觸應(yīng)力值增加明顯，密封面出現(xiàn)較明顯的屈服區(qū)，表明內(nèi)壓對密封面密封性能有加強(qiáng)作用。在軸向拉伸和內(nèi)壓載荷共同作用時(shí)，雙主密封接頭具有良好的密封性能。

3.4 軸向拉伸和內(nèi)外壓作用下密封性能分析

根據(jù)工況4的要求，先對接頭的雙主密封面施加900 kN的軸向拉伸載荷，然后對管體施加50 MPa的內(nèi)壓和外壓，得出螺紋接頭的整體應(yīng)力云圖，如圖7所示。同時(shí)得到了柱面對球面和錐面對錐面密封面上接觸應(yīng)力的數(shù)據(jù)，將工況4得到的數(shù)據(jù)和工況3(8)得到的數(shù)據(jù)按照柱面和錐面分別繪制曲線，如圖8所示。

圖7 螺紋接頭Mises應(yīng)力分布云圖Fig.7 Mises stress distribution cloud chart for threaded joints

由圖4-8可知，雙主密封接頭最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在球面/柱面密封結(jié)構(gòu)的密封面上，超出了材料的屈服強(qiáng)度，但是球面/柱面密封結(jié)構(gòu)的密封原理就是通過密封面屈服產(chǎn)生塑性流動，微小間隙被塑性流動金屬充填，泄漏通道急劇降低來達(dá)到密封的，故952 MPa的高應(yīng)力區(qū)不會對密封面產(chǎn)生很大的影響。而錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)在外壓作用下，密封面的接觸應(yīng)力和接觸長度均在增大，最大接觸應(yīng)力為450 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。

綜合來看，雙主密封接頭在軸向拉伸和內(nèi)外壓雙載荷下密封長度更長，應(yīng)力峰值也較低，不僅能夠保證優(yōu)良密封性能，也降低了黏扣發(fā)生的可能性。

4 全尺寸試驗(yàn)

采用專用數(shù)控機(jī)床加工出這種雙主密封特殊螺紋接頭，并嚴(yán)格依照API Spec 5CT的標(biāo)準(zhǔn)，對螺紋接頭的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量和檢驗(yàn)。隨機(jī)選取其中3個(gè)樣件進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)。

圖8 2種工況下不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布Fig.8 Contact stress distribution of different contact faces under two working conditions

按照API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)程序，先使用液壓大鉗對接頭進(jìn)行9次以上的循環(huán)上卸扣試驗(yàn)，然后對接頭進(jìn)行氣密封試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該接頭的兩個(gè)主密封面均未出現(xiàn)黏結(jié)現(xiàn)象，同時(shí)氣密封能力達(dá)到了API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)壓力最大達(dá)到72 MPa。圖9為接頭樣件試驗(yàn)后的照片。

圖9 試驗(yàn)后的接頭Fig.9 Connector after the test

5 結(jié) 論

（1）提出了一種新的雙主密封結(jié)構(gòu)——錐面對錐面和柱面對球面組合密封。這種雙主密封特殊螺紋接頭相比API接頭，大大增強(qiáng)了接頭在復(fù)合載荷下的密封能力，同時(shí)加工難度更小。經(jīng)過計(jì)算，雙主密封特殊螺紋抗拉強(qiáng)度相對API螺紋提高30%，抗外壓強(qiáng)度相對API螺紋提高20%。

（2）通過接頭樣件的全尺寸試驗(yàn)對有限元分析的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，證明了設(shè)計(jì)的雙主密封螺紋接頭具有良好的抗黏扣性能和氣密封性能。