基于ISO 12835 TP-TW套管特殊螺紋接頭有限元分析*

陳玉鵬，楊騰飛，閆 龍，呂春莉

(天津鋼管制造有限公司 天津 300300)

0 引 言

循環(huán)蒸汽吞吐(CSS)和蒸汽輔助泄油(SAGD)等方式的熱采井，廣泛應(yīng)用于稠油資源的開采[1-3]。其工作溫度范圍通常在200～350 ℃之間。由于高溫的作用，一方面使得套管柱受熱產(chǎn)生熱膨脹；另一方面，由于固井的原因又限制了管柱的自由膨脹，結(jié)果導(dǎo)致在套管上產(chǎn)生了明顯的軸向壓縮載荷。通常情況下，套管上的應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的彈性極限，而在隨后的冷卻過程中，根據(jù)材料強(qiáng)度的不同，拉伸載荷也會使套管發(fā)生屈服。這些由于溫度變化產(chǎn)生的載荷不可避免的會傳遞到套管接頭，引起接頭的應(yīng)力集中部位更大的塑性變形。因此，熱采井工況對螺紋接頭的性能提出了更高的要求。為了滿足熱采井的設(shè)計需要，特殊螺紋接頭因其更高的結(jié)構(gòu)承載能力及密封性能，比普通API螺紋接頭更具優(yōu)勢[4-6]。

評估特殊螺紋接頭性能主要依靠實物試驗和有限元分析方法。對于實物試驗方法，廣泛應(yīng)用的試驗標(biāo)準(zhǔn)為ISO 13679或API RP 5C5[7-9]。然而，由于熱采井復(fù)雜的工況條件和特殊螺紋接頭設(shè)計上的差異性，使其在應(yīng)用上存在著局限性，即上述試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高試驗溫度為180 ℃，且試驗載荷名義上處于彈性范圍內(nèi)。隨著試驗標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，ISO 12835熱采井套管接頭評價試驗方法，成為評價熱采井工況下，特殊螺紋接頭使用性能的國際標(biāo)準(zhǔn)[10]。根據(jù)試驗溫度，ISO 12835將評價試驗分為四個等級，分別為ASL240、ASL290、ASL325和ASL350。實際的試驗載荷范圍已經(jīng)進(jìn)入材料的塑性區(qū)域，并且有限元分析成為標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制要求。有限元分析的主要目的是篩選出實物試驗中接頭最苛刻的公差配合形式和試驗條件。這是與ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)的主要差別之一，因為ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確給定了不同公差樣品的試驗?zāi)康摹?/p>

本文以一種K55鋼級， 298.45 mm×11.05 mm規(guī)格，TP-TW熱采井專用特殊螺紋接頭為例，根據(jù)ISO 12835 試驗標(biāo)準(zhǔn)中ASL290等級要求，闡述了相關(guān)有限元分析方法。通過有限元分析，確定了實物試驗樣品的極限公差配合形式。同時，對接頭的密封性能進(jìn)行了定量分析，為更廣泛的開展全尺寸實物試驗及開發(fā)熱采井用高端特殊螺紋接頭奠定基礎(chǔ)。

1 TP-TW熱采井特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)特點

國內(nèi)外特殊螺紋接頭的種類繁多，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，設(shè)計特點也存在差異[11-13]。TP-TW特殊螺紋接頭是天津鋼管針對加拿大熱采井市場開發(fā)的特殊螺紋接頭產(chǎn)品，已經(jīng)形成批量供貨，并且是國內(nèi)唯一通過ISO 12835實物評價試驗的產(chǎn)品。TP-TW在設(shè)計上的特點主要體現(xiàn)在齒形和密封結(jié)構(gòu)兩方面。

在螺紋設(shè)計上，采用偏梯形型齒形，齒側(cè)過盈的形式。這種設(shè)計可以最大限度的保證接頭在軸向載荷作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時降低對密封性能的影響。圖1為兩種齒形配合后的結(jié)構(gòu)形式，分別為尺側(cè)過盈和齒頂齒底過盈。齒頂齒底過盈形式在上扣過程中有著更好的螺紋脂分布，相較于齒側(cè)過盈形式，對粘扣的敏感度較低。但由于螺紋導(dǎo)入側(cè)存在間隙，在高壓縮載荷下會產(chǎn)生移動，而更多的依靠扭矩臺肩來承受載荷，因此抗壓縮能力較弱。在熱采井工況條件下，由于熱循環(huán)過程中軸向載荷的影響，采用齒側(cè)過盈配合的形式更加適合。

圖1 螺紋過盈配合形式對比

該特殊螺紋接頭采用弧面對錐面的密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示。目前，國際市場上的很多特殊螺紋接頭產(chǎn)品采用此類密封結(jié)構(gòu)[14]。相對于錐面對錐面的密封結(jié)構(gòu)，雖然其接觸壓力最大值較低，但接觸寬度更長，同時受軸向載荷的影響較小，比較適用于熱采井的工況條件。

圖2 TP-TW弧面對錐面密封結(jié)構(gòu)

2 有限元模型

由于熱采井管柱系統(tǒng)的復(fù)雜性，如接觸條件、井身結(jié)構(gòu)、材料性能等，使利用數(shù)值分析方法不能精確地確定熱采井套管接頭的力學(xué)性能。圖3為熱采井工況下，管柱典型的力學(xué)行為，其中包含了各種復(fù)雜的材料性能變化，如應(yīng)力松弛、包申格效應(yīng)、應(yīng)變強(qiáng)化等。ISO 12835試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有限元分析進(jìn)行了必要的簡化，但一些基本的力學(xué)特性必須進(jìn)行評估，以保證分析結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。

圖3 熱采井工況下管柱典型力學(xué)行為

2.1 結(jié)構(gòu)模型

按照ISO 12835標(biāo)準(zhǔn)要求，用Python腳本程序建立了9種不同公差配合形式的有限元模型，用于篩選試驗樣品的極限公差配合。表1為模型的配合形式及分析內(nèi)容。

表1 有限元結(jié)構(gòu)模型及分析內(nèi)容

以GN名義設(shè)計尺寸模型為例，特殊螺紋接頭有限元網(wǎng)格及邊界條件如圖4所示。根據(jù)ISO 12835標(biāo)準(zhǔn)要求，一支帶接箍的套管總長度為12.5 m，且模型應(yīng)至少包含1/2套管和接箍的長度，因此模型的總長度應(yīng)大于等于6 250 mm。將接箍中面作為對稱面，只施加軸向?qū)ΨQ約束，徑向可自由變形。在熱循環(huán)模擬中，套管管端施加軸向?qū)ΨQ約束，上扣過程中不進(jìn)行任何約束，防止產(chǎn)生多余的軸向載荷，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 特殊螺紋接頭軸對稱模型

在螺紋、密封及扭矩臺肩部位應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，而管體部位可以使用相對較粗的網(wǎng)格。為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率，推薦進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析來確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸。本次分析中，密封面和螺紋部分的網(wǎng)格尺寸分別為0.1 mm和0.04 mm。對于單元類型的選擇，一般軸對稱實體單元,如CAX41,可滿足計算需求。

2.2 材料模型

根據(jù)ISO 12835 附錄A.2.2的要求，有限元分析需要使用與溫度相關(guān)的彈塑性材料模型，以精確表征材料屈服后的力學(xué)行為。各向同性強(qiáng)化推薦作為默認(rèn)的材料強(qiáng)化方式，泊松比為0.3，平均熱膨脹系數(shù)為14 με/℃。

1.2缺乏尊重與耐心在病患高發(fā)期,迫于臨床的緊急需求,溝通時采用命令的語氣等等造成雙方互不尊重;發(fā)生小的爭議時互相推諉、推卸責(zé)任;不尊重消毒滅菌的專業(yè)性、復(fù)雜性、時效性,經(jīng)常性提出不合理要求。

基于單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)，建立了不同溫度下的特征材料模型(as-characterized)，如圖5所示。表2為不同溫度下，材料彈性模量和屈服強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)。為精確表征接頭上的應(yīng)變集中特性，超過材料極限強(qiáng)度后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用理論公式(1)進(jìn)行計算[15]，計算時四種溫度下的最大應(yīng)變值選取50%。

圖5 特征材料模型

(1)

式中：σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變；σu為極限強(qiáng)度，MPa；εu為極限應(yīng)變。

表2 材料性能數(shù)據(jù)表

2.3 載荷模型

對熱采井工況下特殊螺紋接頭性能有限元分析過程主要包含兩部分，即一次上扣和熱循環(huán)，載荷路徑如圖6所示。特殊螺紋接頭最高溫度為290 ℃，最大內(nèi)壓為7.4 MPa。溫度變化作用于整個接頭模型，內(nèi)壓載荷施加于套管和接箍的內(nèi)表面、臺肩以及部分密封面區(qū)域。

圖6 ASL-290載荷路徑圖

有限元分析中應(yīng)使用無摩擦的接觸屬性，但應(yīng)對摩擦系數(shù)進(jìn)行估算，并應(yīng)用在上扣扭矩的計算中。摩擦系數(shù)可根據(jù)上卸扣試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合有限元分析進(jìn)行估算，螺紋部分的平均摩擦系數(shù)設(shè)定為0.03，密封面和扭矩臺肩部位為0.06。

特殊螺紋接頭上扣過程采用預(yù)置過盈量的方法進(jìn)行模擬上扣，首先求解螺紋和密封面的徑向過盈，然后求解臺肩部位的軸向過盈。對于徑向過盈量，一般根據(jù)接頭的設(shè)計尺寸確定。而軸向過盈量通過調(diào)整機(jī)緊量的方法進(jìn)行控制，以滿足最終上扣扭矩的要求。上扣扭矩的計算采用公式(2)：

T=∑CfFnrn

(2)

式中：T為上扣扭矩，N·m；Cf為摩擦系數(shù)；Fn為節(jié)點接觸力，N；rn為節(jié)點半徑，mm。

3 評價標(biāo)準(zhǔn)

有限元分析主要用于篩選試驗樣品的極限公差配合形式，主要包含兩方面的內(nèi)容：抗粘扣性能和密封性能。ISO 12835標(biāo)準(zhǔn)定義了四種最差的公差配合情況，分別為WGS、WGT、WST、WSC，其含義見表3。有限元分析的目的即為確定這四種情況下的公差配合形式。評價指標(biāo)為接觸壓力和密封強(qiáng)度。螺紋和密封面上的最大接觸壓力越大，發(fā)生粘扣現(xiàn)象的幾率越高。密封強(qiáng)度越高，密封性能相對較好。其中密封強(qiáng)度SI定義為密封面接觸壓力σc在有效密封長度LES上的積分，如式(3)：

(3)

表3 最差公差配合形式定義

XIE和Matthews等提出了針對熱采井工況的密封評價準(zhǔn)則[16]，用于對密封性能的定量分析。此評價準(zhǔn)則綜合考慮了泄漏速率及套管尺寸的影響。定義如式(4)、(5)兩個變量SC和SD：

(4)

SD=ADKQmP

(5)

SC可理解為密封能力，為實際工況對密封能力的需求。當(dāng)SC≥SD時，可認(rèn)為接頭的密封性能是足夠的。文獻(xiàn)中給出擬合系數(shù)值見表4，當(dāng)利用有限元進(jìn)行分析時，推薦使用極限值。

表4 擬合系數(shù)

4 有限元計算結(jié)果與分析

所有模型應(yīng)按規(guī)定最佳扭矩進(jìn)行上扣過程的模擬，計算扭矩范圍控制在±1%之內(nèi)。此規(guī)格特殊螺紋接頭上扣最佳扭矩為29 960 N·m，設(shè)計機(jī)緊量為4 mm。以名義尺寸模型GN為例，圖7為機(jī)緊量與上扣扭矩的關(guān)系圖，通過線性插值的方法，確定GN模型的機(jī)緊量為3.986 2 mm，計算上扣扭矩為29 787.08 N·m。表5為所有模型上扣扭矩與機(jī)緊量的數(shù)值。

表5 機(jī)緊量與上扣扭矩計算值

圖7 機(jī)緊量與上扣扭矩關(guān)系圖

圖8為GN模型在上扣和熱循環(huán)分析中的軸向應(yīng)力分布云圖。從圖8可見，當(dāng)將套管試樣內(nèi)部加熱至高溫時，套管管體和接頭都承受了明顯的軸向壓縮載荷。當(dāng)試樣內(nèi)部冷卻至室溫后，由于材料收縮及位移的限制，壓縮載荷轉(zhuǎn)變?yōu)槔燧d荷。圖9為密封面接觸壓力的變化情況，表現(xiàn)為升溫過程中接觸壓力降低，接觸長度增加。而降溫后，接觸壓力和接觸長度均明顯下降。說明降溫產(chǎn)生的軸向拉伸載荷對接頭的密封性能有較大影響。

圖8 GN模型接頭軸向應(yīng)力云圖

圖9 密封面接觸壓力分布

表6為9種模型的分析結(jié)果，其中上扣過程中，模型4螺紋上的最大接觸壓力最高，為819 MPa，最有可能發(fā)生螺紋的粘扣，因此模型4確定為WGT。模型6密封面的最大接觸壓力最高，為520 MPa，最有可能發(fā)生密封面粘扣，確定為WGS。對于密封性能來說，模型3在高溫及常溫下的密封強(qiáng)度均最低，則WSC和WST的公差配合形式均為模型3。因而，后續(xù)的實物試驗樣品的公差配合形式，將根據(jù)上述有限元分析結(jié)果進(jìn)行確定。

表6 最差樣品公差篩選結(jié)果數(shù)據(jù)表

接頭密封性能定量分析結(jié)果如圖10所示。根據(jù)公式(4)和公式(5)分別計算了4種不同公差組合模型的密封能力及密封需求。在290 ℃及25 ℃下的密封需求分別為4.52和4.88，存在微小差距的原因是不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大泄漏速率不同。從圖10可見，所有模型在高溫及常溫下的密封能力均超過公式計算的密封需求，說明接頭可以保證密封能力。

圖10 密封性能定量分析圖

5 結(jié) 論

1)按照ISO 12835熱采井套管接頭全尺寸評價試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求，對TP-TW熱采井專用特殊螺紋接頭進(jìn)行了有限元分析，篩選出了實物驗樣樣品的公差配合形式。

2)在熱循環(huán)載荷下，降溫時產(chǎn)生的軸向拉伸載荷對接頭的密封性能有著較大影響。在進(jìn)行接頭設(shè)計時，應(yīng)從齒形和密封結(jié)構(gòu)兩方面綜合分析，提高拉伸載荷下接頭的承載能力，降低拉伸載荷對接頭密封性能的影響。

3)通過密封性能定量分析方法，可對接頭的密封性能進(jìn)行初步評估，以滿足實物試驗的要求，并且在熱采井特殊螺紋接頭設(shè)計開發(fā)中作為一種密封性能評價準(zhǔn)則。