表面粗糙度對(duì)油套管特殊螺紋密封面性能的影響*

張 穎 高安琪 楊 坤 位澤坤

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川自貢 643000)

隨著石油天然氣勘探技術(shù)提升，油氣開(kāi)發(fā)不斷向深部地層發(fā)展，油管面臨高溫、高壓等惡劣工況，氣井螺紋密封失效問(wèn)題頻發(fā)，井筒完整性遭到破壞風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究人員對(duì)特殊螺紋密封失效問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。張穎、楊龍等人[1-2]建立特殊螺紋接頭在動(dòng)載作用中接觸應(yīng)力的力學(xué)模型，分析了密封面表面摩擦因數(shù)對(duì)特殊螺紋密封性能的影響。趙華東[3]通過(guò)有限元軟件分析動(dòng)載作用下特殊螺紋密封性能，發(fā)現(xiàn)上扣時(shí)靠近扭矩臺(tái)肩部位的密封面所受的Mises等效應(yīng)力較大，且會(huì)因密封軸向應(yīng)力分布不均產(chǎn)生泄漏路徑，影響密封性能。徐凱、唐家睿等[4-5]通過(guò)全尺寸疲勞試驗(yàn)，對(duì)特殊螺紋油管連接的疲勞失效模式進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)大滑移情況下接觸面中部會(huì)發(fā)生微動(dòng)疲勞失效。曹銀萍等[6]通過(guò)考慮鉆桿接頭-套管、磨鞋-套管的非線性接觸，探究鉆柱渦動(dòng)對(duì)套管密封面造成的沖擊和磨損，揭示了鉆柱轉(zhuǎn)速對(duì)套管磨損的影響規(guī)律。張佳浩[7]采用分形理論建立模型，分析了不同分形維數(shù)和內(nèi)壓等載荷對(duì)接頭密封性能的影響。然而以往油管連接數(shù)值模擬都是在光滑平面的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，不能真實(shí)反映油管連接時(shí)載荷接觸狀況。此外，對(duì)于油管特殊螺紋密封面接頭力學(xué)研究也較少。

本文作者基于蒙特卡洛數(shù)學(xué)原理建立了油管微觀尺度下密封面接觸模型，分析表面粗糙度、接頭母扣球面半徑、內(nèi)壓載荷對(duì)油管密封面性能的影響，研究結(jié)果可為特殊螺紋密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路借鑒。

1 油管隨機(jī)粗糙面建模

事實(shí)上，任何加工工藝都不能夠使密封表面完全光滑，密封面均具有一定的粗糙度。圖1所示是一個(gè)典型的特殊螺紋接頭的模型結(jié)構(gòu)，其密封表面形貌進(jìn)行放大后觀察，材料表面與幾何形狀上扣后過(guò)盈配合的密封間出現(xiàn)小空隙[8]。

圖1 典型的特殊螺紋扣

對(duì)于粗糙面微凸體的分布可以用最大高度z的函數(shù)Φ(z)表示其概率密度。對(duì)于大部分油管加工表面，通?？梢约僭O(shè)頂峰高度分布為

(1)

式中：l是高度分布的均方根，即

(2)

隨機(jī)粗糙面可以通過(guò)蒙特卡洛(Monte Carlo)方法[9]來(lái)模擬獲得：

(3)

其中xn=nΔx(n=-N/2+1，…，N/2)表示粗糙表面上第n個(gè)采樣點(diǎn)，F(xiàn)(kj)與f(xn)稱為Fourier變化對(duì)，定義為

(4)

式中：S(kj)為油管粗糙表面的功率譜密度；Δk為譜域相鄰的諧波樣本的空間波數(shù)差；kj為離散波數(shù)的表達(dá)式，為2πj/L；N(0，1)為均值為0，方差為1的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)。

基于式(3)和式(4)，使用MATLAB軟件數(shù)值計(jì)算得到不同粗糙度粗糙表面的輪廓模型。

圖2展示了相同長(zhǎng)度下不同均方根一維高斯粗糙面數(shù)值模擬結(jié)果?？芍谙嗤L(zhǎng)度下，隨著均方根的增加，粗糙表面的波動(dòng)性也隨之增大；當(dāng)均方根不變時(shí)，相關(guān)長(zhǎng)度越短，粗糙度轉(zhuǎn)換越劇烈，改變的時(shí)間越短[10-12]。因此，“縱向”的變形特征取決于其均方根值，而相關(guān)的長(zhǎng)度則取決于其“橫向”的改變[13-14]。文中數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]模擬結(jié)果變化規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了文中建立的模型是正確的。

圖2 高斯隨機(jī)粗糙面模型

2 特殊螺紋接頭密封性能有限元研究

2.1 有限元模型的建立

通過(guò)ABAQUS軟件將母接頭密封面表面粗糙度形狀設(shè)計(jì)成隨機(jī)不規(guī)則表面。如圖3所示，以球面對(duì)錐面接觸的密封模型為例，通過(guò)有限元軟件研究密封面粗糙度與接觸寬度的關(guān)系。在螺紋上扣擰緊過(guò)程中，以P110T某油管為例，材料的彈性模量為200 GPa，屈服應(yīng)力為758 MPa。根據(jù)GB/T 3505—2000，油管粗糙度合格標(biāo)準(zhǔn)為Ra<1.6 μm，故文中粗糙度設(shè)定范圍為1～2 μm。

圖3 粗糙表面接觸數(shù)值仿真模型

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 粗糙度對(duì)密封性能的影響

圖4所示為剛體球面與粗糙度分別為1、1.5、2 μm的平面在法向過(guò)盈量為0.5 mm時(shí)[10]的仿真結(jié)果。可知，在同一法向過(guò)盈量作用下，平面粗糙度越小其接觸壓力越小，壓力分布越均勻；因?yàn)樯峡圻^(guò)程中，密封面處的微凸體互相接觸的數(shù)目逐漸增多，接觸表面的彈性變形和塑性變形的集中范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大；當(dāng)?shù)刃?yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度極限時(shí)，發(fā)生彈性變形的微凸體開(kāi)始出現(xiàn)少量的塑性變形，已發(fā)生塑性變形的微凸體的變形量持續(xù)增大。

圖4 不同粗糙度下密封面各點(diǎn)接觸壓力與接觸長(zhǎng)度的關(guān)系

圖5所示為密封面接觸寬度為50 mm時(shí)不同粗糙度下球面-錐面彈塑性接觸關(guān)系。圖中，在密封面接觸區(qū)域內(nèi)，藍(lán)色部分代表密封接觸區(qū)域產(chǎn)生彈性變形，紅色部分代表密封接觸區(qū)域處于塑性變形?？芍?，在表面粗糙度Ra=1、1.5、2 μm，球面與錐面接觸的法向過(guò)盈量為0.5 mm時(shí)，接觸面區(qū)域進(jìn)入彈性變形的接觸寬度分別為48、40、37 mm，其接觸面區(qū)域進(jìn)入塑性變形的接觸寬度分別為2、10、23 mm。這也從另一方面說(shuō)明，接觸表面粗糙度越低，發(fā)生塑性變形的可能性越低。

圖5 過(guò)盈量為0.5 mm時(shí)粗糙度與彈塑性變形關(guān)系

2.2.2 公扣半徑對(duì)密封性能的影響

為研究公接頭密封面接觸面大小與法向過(guò)盈量的關(guān)系，以上述粗糙度為1.5 μm模型為例，所列出的特殊螺紋油管接頭的密封面半徑的參數(shù)范圍為6～21 mm。經(jīng)有限元分析，得到如圖6所示的等效應(yīng)力云圖，可知，密封面處發(fā)生了不同程度的塑性變形，密封面處的Mises等效應(yīng)力隨著密封面半徑的增大而減小，但密封面處有部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭密封性能降低。

圖6 球面對(duì)錐面密封結(jié)構(gòu)接頭在不同球面半徑下的等效應(yīng)力云圖

圖7所示為過(guò)盈量為0.5 mm時(shí)，密封面不同球面半徑的特殊螺紋接頭接觸壓力與接觸長(zhǎng)度的變化?？芍芊饷娼佑|壓力均先增大后減小。當(dāng)球面半徑為6～9 mm時(shí)，密封球面的接觸壓力較大，但接觸長(zhǎng)度較小；當(dāng)球面半徑為15～21 mm時(shí)，密封面接觸壓力分布較為均勻，接觸長(zhǎng)度約為9 mm，接頭密封性能較好。

圖7 過(guò)盈量為0.5 mm時(shí)不同球面半徑下錐面接頭密封面接觸壓力變化

2.2.3 內(nèi)壓載荷對(duì)密封性能的影響

為研究?jī)?nèi)壓對(duì)于表面平均接觸壓力的影響，以上述母接頭粗糙度為1.5 μm，公接頭球面半徑為15 mm模型為例，對(duì)接頭分別施加50、75、100 MPa的內(nèi)壓載荷。圖8所示為不同內(nèi)壓載荷條件下特殊螺紋接頭整體的等效應(yīng)力云圖，不同壓力作用下接頭接觸面處密封接觸壓力的變化曲線如圖9所示。

圖8 不同內(nèi)壓下表面Mises等效應(yīng)力云圖

由圖8可知，在壓力作用下，最大等效應(yīng)力隨壓力的增大而增大。微凸面的接觸數(shù)目和塑性變形均隨內(nèi)部壓力的增加而增加。隨著微凸體在密封件上不斷地與密封面產(chǎn)生摩擦，微凸體接觸的數(shù)量逐漸增多，而已經(jīng)與密封面相接觸的微凸體的彈性變形逐漸變?yōu)閺椝苄宰冃?，因此局部的塑性量增大，而彈性變形程度逐漸降低。

由圖9可知，隨著內(nèi)壓的增加，密封表面接觸長(zhǎng)度增大。因?yàn)閮?nèi)部壓力的存在，導(dǎo)致局部原本未接觸的微小凸體與錐面產(chǎn)生接觸，使其表面的接觸距離增大，從而提高了連接的密封性。

2.3 特殊螺紋密封面加工工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的特殊螺紋密封面加工方式是由刀具的點(diǎn)接觸車削而成，螺紋密封面車削過(guò)程采用粗-精的加工方法，刀具會(huì)往返切削。刀具與特殊螺紋接頭點(diǎn)接觸往返切削過(guò)程中，會(huì)造成特殊螺紋密封面的不均勻，從而影響特殊螺紋扣的氣密封性能。

油管柱特殊螺紋氣密封性能要求較高，可以通過(guò)改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)提高密封性能。在特殊螺紋接頭粗加工后，使用一體化加工刀具(如圖10所示)，其優(yōu)勢(shì)在于可以減少人工抓夾次數(shù)，提升加工精度；縮短產(chǎn)品制造工藝鏈，提升產(chǎn)品加工效率；此外還可以有效降低特殊螺紋密封面的表面粗糙度，從而獲得更好的氣密封效果。

圖10 密封面加工方式

3 結(jié)論

考慮粗糙面的影響，建立了特殊螺紋密封面含表面粗糙度的接觸力學(xué)數(shù)值仿真模型，分析表面粗糙度、接頭母扣球面半徑、內(nèi)壓載荷對(duì)油管密封面性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)同一過(guò)盈量下，粗糙度越小，平均接觸壓力越小，壓力分布越均勻；另外接觸表面粗糙度越低，發(fā)生塑性變形的可能性越低。

(2)母扣球面半徑越大，密封面接觸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，且接觸壓力分布較為均勻，密封性能較好。密封面處的Mises等效應(yīng)力隨著密封面半徑的增大而減小，但密封面處有部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭密封性能降低。

(3)隨著內(nèi)壓的增加，由于公扣密封接觸面上的微凸體與錐面的接觸次數(shù)逐漸增多，并且在相互接觸的情況下，其彈性變形程度逐漸降低，而塑性變形增大。因密封表面的接觸長(zhǎng)度增大，此時(shí)具有較好的密封性能。

(4)對(duì)油管柱氣密封性能要求較高的情況下，提出一體化成型刀具加工特殊螺紋密封面的方法，可以有效降低特殊螺紋密封面的表面粗糙度，從而獲得更好的密封效果。