螺纹牙形对特殊螺纹接头弯曲性能的影响

李毅 孙宇 吴稀勇 （天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津 300301)

螺纹牙形对特殊螺纹接头弯曲性能的影响

李毅 孙宇 吴稀勇 （天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津 300301)

为分析特殊螺纹接头弯曲性能，采用有限元方法，对比正角度螺纹、负角度螺纹和齿侧过盈螺纹3种牙形对特殊螺纹接头密封面上密封性能的影响。有限元分析结果表明，负角度螺纹可以提高拉伸性能，而齿侧过盈螺纹有利于提高压缩性能。综合来看，齿侧过盈螺纹有利于弯曲性能。这些结果可为抗弯曲特殊螺纹接头设计提供参考。

特殊螺纹 接头 有限元分析 弯曲 拉伸 压缩 性能

1 引言

特殊螺纹接头的使用性能可通过全尺寸实物试验评价得到和有限元方法进行分析预测。对特殊扣接头性能大量的有限元分析工作，大都集中在轴对称边界和载荷方面，包括上扣、外压、内压、轴向拉伸或压缩等。而对于非轴对称载荷，比如特殊螺纹接头的弯曲性能，目前的有限元分析工作很少[1-3]。但在具体油田应用中，特别是大位移井和定向井等，特殊螺纹扣接头的弯曲性能是非常重要的性能参数。分析影响接头弯曲性能的结构参数，可以为接头的设计提供参考和指导。本文中，采用有限元模型分析了螺纹的牙形结构对特殊扣接头弯曲性能的影响。在分析中施加相同弯曲载荷下，采用类似的金属－金属密封接头对比了3种不同牙形下接头的密封性能。

2 有限元模型的建立

本文采用有限元分析软件Abaqus建模。接头弯曲加载分析的难点在于：（1)单元的选择。由于弯曲载荷是非轴对称的，需要使用可加载非轴对称载荷的CAXA单元。（2)接触分析的建立。使用CAXA单元后不能定义基于单元的接触面，因而也不能采用常规的接触面计算，需要使用特殊的接触单元和滑移线方法，具体方法是从单元数据中依次导出所有需要定义接触面的节点数据，然后分别定义接触单元和滑移线。（3)弯曲载荷的加载。根据弹塑性力学理论，可通过在表面加载的非均匀面载荷实现弯曲载荷，在Abaqus中这样的载荷需通过DLOAD子程序完成。本文中选择的单元为CAXA4N单元（其中N=1～4，对应于4种不同的Fourier模式)。大量的有限元计算说明，在此4种模式下分析结果一致，本文仅描述N=1下的分析结果。文中弯曲表示方法采用特殊螺纹接头弯曲性能的表示方法，为**/30 m（其中**为角度)。整个分析过程为以下 4 步：（1) 上扣;（2)20°/30 m 弯曲;（3)30°/30 m 弯曲;（4)40°/30 m 弯曲。

主要分析不同弯曲载荷下其拉伸面和压缩面的密封性能变化。具体的分析模型建立方法与接触计算的验证见文献[4]～[5]。

在本文中分别采用密封面上的接触应力与密封指数来描述特殊螺纹接头的密封性能，重点分析不同弯曲载荷下密封性能的变化，以表征其弯曲性能。其中密封面上的接触应力为接触单元的S11输出;密封指数定义为密封面上接触应力对接触长度的积分，其单位转化为ksi*in，计算公式如下：

式中，σc为接触应力，L为接触长度。接触应力反映了接触面上对应点的应力大小;密封指数则综合体现了接触应力和接触长度的效果。

选择的尺寸规格为177.8 mm×10.36 mm，L80钢级进行分析。TYPE1、TYPE2、TYPE3三种不同的牙形结构如图1所示，其中TYPE1为正角度螺纹，TYPE2为负角度螺纹，TYPE3为齿侧过盈螺纹。

图1 不同牙形示意图

3 有限元分析结果

3.1 TYPE1密封性能分析

见图 2、图 3。

从图2、图3可知，随着弯曲角度的增加，拉伸面密封指数下降，而压缩面密封指数上升，与文献中结果吻合[5]。有限元分析表明，随弯曲角度的增加，拉伸侧上密封面接触应力和接触长度下降，而压缩侧密封面上则接触应力和接触长度均上升。

图2 TYPE1拉伸侧密封面上接触应力

图3 TYPE1不同弯曲角度下密封指数

3.2 TYPE2密封性能分析见图4。

图4 TYPE2不同弯曲角度下密封指数

由图4可知，随着弯曲角度的增加，拉伸侧密封指数变化不明显，而压缩侧密封指数上升。有限元分析表明随弯曲角度增加，拉伸侧密封面上的接触应力与接触长度变化不明显，而压缩侧接触应力和接触长度均增加。

3.3 TYPE3密封性能分析

从图5可知，随着弯曲角度增加，拉伸侧密封指数下降，而压缩侧密封指数上升。其趋势与TYPE1的结果类似。有限元分析表明拉伸侧密封面上接触应力和接触长度均下降，而压缩侧接触应力和接触长度上升。

图5 TYPE3不同弯曲角度下密封指数

3.4 3种不同牙形的对比

以3种不同牙形的上扣态作参考，分别对比了弯曲40°/30 m后密封指数的相对变化，如表1所示。其结果表明，TYPE3扣型抗压缩性能相对好，说明齿侧间隙过盈螺纹能够明显提高接头的抗拉伸性能;而TYPE2抗拉伸性能相对好，说明负角度螺纹能够明显提高接头的抗拉伸性能。

表1 不同牙形弯曲40°/30 m后密封指数的相对变化

4 结论

（1)由于弯曲是拉伸和压缩共同作用的结果，计算和实物试验都表明3种牙形的拉伸效率都可以达到管体的100%，因而影响弯曲的主要是抗压缩性能。从有限元分析结果看，相同弯曲条件下TYPE3压缩面密封指数变化最小，抗压缩性能相对好，抗弯曲性能相对较好。即齿侧过盈配合更有利于提高特殊螺纹接头的压缩和弯曲性能。

（2)分析结果可为特殊螺纹设计提供参考，也表明有限元方法可为特殊螺纹接头的设计、弯曲及其他性能的预测提供依据，可在一定程度上减小实物试验数量，节省时间和成本，提高产品研发效率。

[1]杨智春，李斌，史交齐.特殊螺纹套管接头的应力及密封特征分析[J].机械科学与技术，2004，23（7):771-774.

[2]Yuan Guangjie，Yao Zhenqiang，Wang Qinghua，et al.Numerical and experimental distribution of temperature and stress fields in API round threaded connection[J].Engineering Failure Analysis，2006，13（8)：1 275-1 284.

[3]高连新，史交齐.油套管特殊螺纹接头连接技术的研究现状及展望[J].石油矿场机械，2008，37（2)：15-19.

[4]吴稀勇，闫龙，陈涛，等.弯曲载荷下特殊螺纹接头密封性能的有限元分析[J].钢管，2010，39（6)：70-73.

[5]Tafreshi A.SIF evaluation and stress analysis of drilling threaded joints[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，1999，76（1)：91-103.

Influence of Thread Profile on Bending Performance of Special Threaded Connector

Li Yi,Sun Yu,Wu Xiyong

In order to analyze the bending performance of special threaded connector,the authors,with infinite element method,compare the influence of positive angled thread,negative angled thread and teeth side over-fit thread on the sealing performance of special threaded connector sealing surface.Analysis results show that negative angled thread can increase tensile performance and teeth side over-fit thread facilitates the increase of compression performance.In an overall view,teeth side over-fit thread is beneficial to bending performance.These results can provide reference to the design of special anti-bending threaded connector.

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（收稿 2011－11－07 编辑 赵实鸣)

李毅，副高级工程师，主要从事油井无缝管材料开发、评价实验设备的研制与实验、特殊螺纹的开发工作，现任天津钢管集团股份有限公司技术中心主任。