密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

王儒朋，席曉磊，焦巍，張文星，龐德志，馬繼超，肖華平

密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

王儒朋1，席曉磊2，焦巍3，張文星3，龐德志4，馬繼超4，肖華平4

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司加工制造分公司，天津 300452；2.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 深水工程技術(shù)中心，廣東 深圳 518067；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；4.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

影響密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋性能的主要因素包括密封面結(jié)構(gòu)、扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)以及連接螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低應(yīng)力集中、保證密封性能、減少塑性變形，從而保障油套管的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性。為了改善密封性能，提高連接強(qiáng)度、抗扭矩能力和承載能力，使其能適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境，對(duì)主要螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元分析和模擬計(jì)算研究了不同參數(shù)條件下的連接性能，結(jié)果表明，螺紋兩端應(yīng)力大、中間部分應(yīng)力小，所以螺紋因拉伸應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生的失效容易發(fā)生在螺紋兩端。

快速連接；密封加強(qiáng)；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

海洋油氣儲(chǔ)量龐大，是我國(guó)油氣資源的重要來(lái)源。隨著需求的增加，近年開(kāi)發(fā)開(kāi)采數(shù)量也隨之增加，而且從最初的淺海井到現(xiàn)在的深海井，油氣井向著大斜度井和水平井方向發(fā)展，開(kāi)采難度也越來(lái)越大。為了滿足不斷提高的油氣資源開(kāi)發(fā)要求，石油管材和鉆采機(jī)具的優(yōu)化改進(jìn)是滿足大難度鉆采作業(yè)的關(guān)鍵[1-3]。

現(xiàn)有的套管接頭螺紋設(shè)計(jì)理論主要基于套管接頭螺紋受軸向拉伸載荷的情況，在使用過(guò)程中受到較大的扭矩載荷作用時(shí)會(huì)引起脹扣、斷裂失效、下入井底后使用壽命短等問(wèn)題[4-5]。隨著海洋油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)于高抗扭和高抗壓性能的套管接頭有更大的需求[6-8]。而對(duì)于此類工況下的套管，目前仍無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論與其高抗扭抗壓工況相匹配[9-10]。套管內(nèi)部空間狹窄，優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在不改變現(xiàn)有外形尺寸的前提下提高接頭螺紋的性能，因此對(duì)各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是提高套管接頭螺紋承載強(qiáng)度的主要途徑[11-12]。

本文以中海油密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋套管為研究對(duì)象，對(duì)其螺紋接頭的主要參數(shù)及尺寸公差等變量進(jìn)行模擬和優(yōu)化。將三維建模運(yùn)用到有限元仿真軟件中，設(shè)置復(fù)雜的工況和嚴(yán)格的邊界條件，對(duì)其在復(fù)雜載荷下的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真，計(jì)算其應(yīng)力分布情況變化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)比，最終求得具有更優(yōu)工作能力的尺寸參數(shù)。

1 特殊螺紋套管有限元三維建模

為準(zhǔn)確試驗(yàn)密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，在公扣與母扣配合后，通過(guò)有限元模型進(jìn)行模擬分析。該螺紋為一個(gè)復(fù)合螺紋，屈服強(qiáng)度552 MPa，拉抗強(qiáng)度665 MPa，彈性模量＝2.08×105MPa，泊松比＝0.3。按照中海油設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)該特殊螺紋接頭摩擦力系數(shù)參數(shù)0.08。通過(guò)Solidworks軟件三維建模生成，其空間結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其導(dǎo)向面及承載面如圖2所示。

圖1 密封加強(qiáng)型快速連接螺紋接頭空間結(jié)構(gòu)示意

圖2 密封加強(qiáng)型快速連接螺紋導(dǎo)向面及承載面

2 有限元仿真分析

2.1 密封加強(qiáng)型快速連接螺紋仿真結(jié)果分析

普通螺紋套管在承受上扣扭矩、拉伸載荷、彎曲載荷或內(nèi)壓載荷等時(shí)，其螺紋接頭上應(yīng)力分布十分不均勻，前三圈的螺紋牙會(huì)承受較大的Mises應(yīng)力，特別是在第一圈螺紋牙有效嚙合后應(yīng)力集中尤其嚴(yán)重。而該特殊螺紋套管會(huì)緩解該現(xiàn)象的發(fā)生，為了使其接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，選定7個(gè)可調(diào)整參數(shù)（如圖3所示）為備選參數(shù)。經(jīng)過(guò)前期驗(yàn)證，選用了六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，優(yōu)化列表如表1所示。

圖3 密封加強(qiáng)型快速連接螺紋7個(gè)位置參數(shù)

同時(shí)為了仿真對(duì)工況的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)扭矩和彎矩進(jìn)行了同樣的仿真運(yùn)行。通過(guò)對(duì)撓度的計(jì)算和2000 m下套管管柱的自重計(jì)算得出重量為80 t，利用ABAQUS模擬仿真施加80 t拉伸載荷，結(jié)果顯示其螺紋接頭的受力情況較好，但是效果分布圖不太明顯。為了便于更好分析的受力部位情況，在保證不會(huì)達(dá)到材料的抗拉極限655 MPa條件下，施加更大的拉伸載荷。

表1 密封加強(qiáng)型快速連接螺紋接頭六參數(shù)單因素對(duì)照表

2.2 單因素參數(shù)性能優(yōu)化

針對(duì)選取的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先采用單因素調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化，由于選取參數(shù)比較多，本文以導(dǎo)向面下部圓弧半徑為例進(jìn)行說(shuō)明。原始結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向面下部圓弧半徑為0.20 mm，為了探明該參數(shù)影響，分別選取了0.24 mm、0.28 mm、0.32 mm、0.36 mm進(jìn)行模擬計(jì)算，施加預(yù)緊力和拉伸載荷，通過(guò)有限元計(jì)算得到接頭應(yīng)力。

通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到的曲線如圖4所示，可以看出，隨導(dǎo)向面下部圓弧增加，最大Mises應(yīng)力有先減小后增加的現(xiàn)象。在本文研究范圍中，0.32 mm半徑可以最有效地減小最大Mises應(yīng)力，從原來(lái)的566.4 MPa減小到554.4 MPa，接頭上最大應(yīng)力值減小了2.12%。

圖4 導(dǎo)向面下部圓弧半徑對(duì)最大應(yīng)力的影響

第一圈螺紋齒上最大Mises應(yīng)力分布曲線圖如圖5所示。分析表明，螺紋上的應(yīng)力分布雖然在一定范圍內(nèi)，但是并不均勻。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后螺紋第一圈應(yīng)力分布不均情況得到改善，在此情況下更加均勻的表面受力可以有效完善螺紋的密封性，同時(shí)分散其表面應(yīng)力，以達(dá)到延長(zhǎng)螺紋使用壽命的目的。

圖5 第一圈齒面應(yīng)力對(duì)比雷達(dá)圖

優(yōu)化前后第1～10齒上的最大Mises應(yīng)力情況如圖6所示。可以看出，在螺紋兩端的應(yīng)力比較大、中間部分應(yīng)力相對(duì)要小一些，這和實(shí)際工況中觀察到的兩端容易粘扣的現(xiàn)象是匹配的。通過(guò)調(diào)整導(dǎo)向面下部圓弧半徑，幾乎所有齒上的最大應(yīng)力都有降低，能從一定程度上減少粘扣現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 優(yōu)化前后螺紋前10齒面應(yīng)力對(duì)比曲線

2.3 預(yù)緊力位移條件下參數(shù)優(yōu)化性能

由于密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋為圓錐管螺紋，其每一圈的螺紋齒直徑不一樣，但其受力方式與常見(jiàn)圓柱管螺紋類似，如圖7所示，密封加強(qiáng)型快速連接螺紋套管接頭在上扣扭矩＋預(yù)緊位移工況下進(jìn)行應(yīng)力分析，且設(shè)定預(yù)緊位移為0.16 mm，圖中顯示，前幾圈的螺紋齒在嚙合時(shí)承受的應(yīng)力明顯大于后幾圈的應(yīng)力，兩端受力大、中間受力小，這表明特殊螺紋油套管在井下工作時(shí)，應(yīng)力集中總是出現(xiàn)在螺紋的兩端接頭處。在預(yù)緊位移0.16 mm的條件下的螺紋套管接頭優(yōu)化前最大應(yīng)力為566.4 MPa，而優(yōu)化后最大應(yīng)力為553.9 MPa，進(jìn)行對(duì)比可知最優(yōu)參數(shù)下的螺紋在承受位移載荷時(shí)同樣具有優(yōu)化效果，最大應(yīng)力值降低了2.21%，確保了參數(shù)優(yōu)化同樣有效的作用于預(yù)緊的情況。

對(duì)密封加強(qiáng)型快速連接螺紋套管接頭最前端進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，在密封面上取兩點(diǎn)，靠近螺紋接頭的點(diǎn)設(shè)為位置1，另一點(diǎn)則設(shè)為位置2，以點(diǎn)為基準(zhǔn)分析其一周的接觸應(yīng)力值是否滿足密封要求。

如圖8、表2所示，在最佳機(jī)緊狀態(tài)下，優(yōu)化前、后油套管接頭密封面接觸應(yīng)力沿著周向變化較穩(wěn)定，波動(dòng)不大；優(yōu)化前，油套管接頭密封位置1處接觸應(yīng)力變化范圍為152.69～180.325 MPa，密封位置2處接觸應(yīng)力變化范圍為126.097～153.363 MPa，波動(dòng)不大，兩處的密封性能均滿足密封要求；優(yōu)化后，油套管接頭密封位置1處接觸應(yīng)力變化范圍為160.716～196.412 MPa，密封位置2處接觸應(yīng)力變化范圍為120.094～160.716 MPa，波動(dòng)不大，在低于120 MPa接觸應(yīng)力下完全滿足密封要求。

圖7 預(yù)緊力位移0.16 mm原始參數(shù)值和最優(yōu)參數(shù)值條件下應(yīng)力云圖

圖8 預(yù)緊位移0.16 mm優(yōu)化前后油套管接頭密封周向面的應(yīng)力分布圖

表2 優(yōu)化前后預(yù)緊位移0.16 mm時(shí)密封接觸應(yīng)力對(duì)比（最佳扭矩）

2.4 預(yù)緊力和拉力耦合條件下參數(shù)優(yōu)化性能

套管在地層中受軸向拉力作用，隨管柱長(zhǎng)度增加，在下放過(guò)程中拉力逐步增大，在管柱達(dá)到最深處即指定位置時(shí)，拉力達(dá)到最大值。如圖9所示，密封加強(qiáng)型快速連接螺紋套管接頭在拉伸載荷＋上扣扭矩工況下，施加240 t拉伸載荷得到應(yīng)力最大值為566.4 MPa，相對(duì)于管道自重產(chǎn)生的應(yīng)力最大值558.4 MPa僅增加了1.38%，且受力分布較均勻，滿足預(yù)期的效果。因此選用240 t的拉伸載荷進(jìn)行模擬仿真。

圖9 最佳機(jī)緊狀態(tài)下施加不同拉力應(yīng)力云圖

施加240 t載荷時(shí)，接頭螺紋應(yīng)力最大值達(dá)到556.4 MPa，由圖10可見(jiàn)，多次參數(shù)優(yōu)化中，導(dǎo)向面上部圓弧半徑0.785 mm時(shí)應(yīng)力最大值556.3 MPa，接頭上最大應(yīng)力值減小了1.78%。

2.5 預(yù)緊力、拉力、彎矩耦合條件下參數(shù)優(yōu)化性能

如圖11所示，密封加強(qiáng)型快速連接螺紋套管接頭在拉伸載荷＋上扣扭矩＋彎矩載荷工況下進(jìn)行應(yīng)力分析，在拉力和上扣扭矩不變的情況下，給螺紋接頭施加一定的彎矩，得到的應(yīng)力值大小為566.5 MPa，與原始相比較僅增大了0.18%左右，說(shuō)明該螺紋接頭的抗彎性能較好，且其最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，因此設(shè)定10%的安全系數(shù)來(lái)對(duì)優(yōu)化后的應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如果在參數(shù)優(yōu)化時(shí)該應(yīng)力值超過(guò)了設(shè)定的安全系數(shù)對(duì)應(yīng)應(yīng)力值，該特殊螺紋接頭會(huì)失效，此數(shù)據(jù)則會(huì)無(wú)效，所以在選取數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)該條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析。

圖10 施加指定拉力和扭矩優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖

圖11 施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩的應(yīng)力云圖

圖12是選取密封加強(qiáng)型快速連接螺紋套管在優(yōu)化列表中同時(shí)承受扭矩和拉力條件下優(yōu)化效果最好的模型，對(duì)該模型施加扭矩、拉伸載荷及彎矩，最大應(yīng)力值為553.7 MPa，最大應(yīng)力值降低了2.24%。

圖12 最佳優(yōu)化參數(shù)下施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩的應(yīng)力云圖

如圖13、表3所示，在彎曲工況下，優(yōu)化前后套管接頭施加指定的拉伸載荷和最佳上扣扭矩，密封面接觸應(yīng)力沿著周向變化較穩(wěn)定，波動(dòng)不大，最大接觸應(yīng)力值都遠(yuǎn)小于材料最小屈服強(qiáng)度；優(yōu)化前，油套管接頭密封位置1處接觸應(yīng)力變化范圍為142.140～170.470 MPa，密封位置2處接觸應(yīng)力變化范圍為111.439～147.349 MPa，波動(dòng)不大，兩處密封性能均滿足密封要求；優(yōu)化后，油套管接頭密封位置1處接觸應(yīng)力變化范圍為148.201～183.563 MPa，密封位置2處接觸應(yīng)力變化范圍為120.094～150.316 MPa，波動(dòng)不大，在低于110 MPa接觸應(yīng)力下完全滿足密封要求；優(yōu)化前的兩處密封位置接觸應(yīng)力平均值均低于優(yōu)化后的值，因此在最佳機(jī)緊狀態(tài)下，優(yōu)化螺紋導(dǎo)向面上部圓弧半徑，油套管密封性能也能得到加強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文利用有限元軟件對(duì)密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋套管進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了特定工況下的螺紋應(yīng)力分布情況。本文將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著拉伸載荷的增大、螺紋承載面所受到的應(yīng)力也隨之增加，螺紋兩端應(yīng)力大、中間部分相對(duì)較小，所以螺紋因拉伸應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生的失效容易發(fā)生在螺紋兩端。

（2）在多次單參數(shù)優(yōu)化中，導(dǎo)向面上部圓弧半徑為0.785 mm時(shí)應(yīng)力最大值最小，接頭上最大應(yīng)力值減小了2.24%。

（3）通過(guò)計(jì)算密封加強(qiáng)型快速連接特殊螺紋套管參數(shù)修改前后的性能對(duì)比，優(yōu)化后的套管接頭應(yīng)力降低，各螺紋牙上的應(yīng)力分布也更平均，因此更能適應(yīng)苛刻井況。

圖13 施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩下油套管接頭沿著密封面一周的應(yīng)力分布情況

表3 優(yōu)化前后施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩下油套管密封面接觸應(yīng)力（最佳扭矩）

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Optimization on key Structural Parameters of Sealing Reinforced Quick-Connect Special Thread

WANG Rupeng1，XI Xiaolei2，JIAO Wei3，ZHANG Wenxing3，PANG Dezhi4，MA Jichao4，XIAO Huaping4

( 1.CNOOC Energy Development Equipment Technology Co., Ltd., Machining and Manufacturing Branch, Tianjin 300452, China; 2.Deepwater Engineering Technology Center, Shenzhen Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Shenzhen 518067, China; 3.CNOOC Energy Development Co., Ltd., Engineering Technology Branch, Tianjin 300452, China; 4.School of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China )

The core of the design of the sealing reinforced quick-connect special thread is to optimize the sealing surface, torque shoulder and connection thread parameters, so as to reduce stress concentration, ensure sealing performance, and reduce plastic deformation to ensure the structural integrity of the casing and seal integrity. Through the optimization design of the structure of the sealing reinforced quick-connect casing, it achieves the effects of good sealing and improving connection strength, torque resistance and bearing capacity, which ensures that it adapts to the complex working environment. The results show that the stress at both ends of the thread is large, and the stress in the middle part is relatively small, so the failure caused by excessive tensile stress is likely to occur at both ends of the thread.

quick connection；sealing reinforced；finite element analysis；optimal design

TH131.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.004

1006-0316 (2023) 07-0025-07

2022-9-29

中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司“三新三化”項(xiàng)目——海上油田特殊螺紋研制及標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)研究（JTKY-SXSH-2021-HF-10）

王儒朋（1987－），女，黑龍江蘭西人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事海洋石油專用管材及鉆采機(jī)具設(shè)計(jì)研發(fā)制造工作，E-mail：wangrp4@cnooc.com.cn。