不同外载作用下特殊螺纹油管接头应力有限元分析

曹银萍，张福祥，杨向同，于 洋

（1.西安石油大学 机械工程学院，西安 710065；2.中国石油塔里木油田分公司，库尔勒 841000）

0 引言

随着深井、超深井、高温高压气井、热采井以及含有H2S和CO2腐蚀介质井等高难度井的开发，按照API(美国石油学会)标准制造的接头由于其连接强度不高和气密封性能差等原因已不能满足石油工业的要求[1,2]。因此，具有良好连接和密封性能的特殊螺纹油套管得到了广泛的应用。为确保足够的连接强度，联接入井的特殊螺纹接头密封面、扭矩台肩处的密封副必须保持合理的应力水平。由于特殊螺纹接头几何结构及外载作用下应力分布的复杂性，无法用解析法进行接头应力分析，文中借助ANSYS有限元软件，以某88.9mm×6.45mm P110特殊螺纹油管接头为例，分析了上扣扭矩、内压、轴向力及复合载荷等不同载荷作用下密封面、扭矩台肩及连接螺纹的应力分布规律。

1 特殊螺纹油管接头有限元模型及工况

本文分析的某特殊螺纹油管接头如图1所示。该接头采用主密封面与台肩双重金属密封形式，螺纹采用连接强度较高的偏梯形螺纹，其密封形式与主要参数分别见表1、表2。

表1 特殊螺纹接头密封形式

表2 特殊螺纹接头主要参数

建模过程中采用如下假设：为消除边界效应，模型油管长度应大于管端至螺纹消失点距离的2倍以上[3]；而接箍沿轴向取其长度的一半；考虑到接头与油管关于中心轴对称，采用轴对称力学模型；忽略螺纹螺旋升角的影响；假设接头和油管材料为各向同性的强化材料。

图1 特殊螺纹接头结构图

考虑到简化模型的轴对称性和材料的塑性强化，采用具有轴对称功能的PLANE82单元进行网格划分；油管接头螺纹的接触是典型的面-面接触，用TARGE169和CONTA172接触单元生成面-面接触对，接触表面间的摩擦为滑动库仑摩擦，摩擦系数0.02。设接箍中面的轴向位移为零，采用第四强度理论计算等效应力。

根据管柱力学分析[4]，油管接头在井下受力情况复杂，上部油管承受轴向拉伸，下部承受轴向压力，同时整个管柱承受管内流体的高压作用，因此，采用表1所示的载荷组合模拟真实工作中油管接头的载荷工况。将表3所示载荷工况作用在特殊螺纹接头有限元分析模型上，即可得到油管接头应力分布情况。

表3 某特殊螺纹接头加载工况

2 上扣时接头应力分析

由特殊螺纹油管接头等效应力分布云图（见图2）可知，最大等效应力位于主密封面处，而扭矩台肩处稍小。可以看出，主密封面与扭矩台肩处均有较大的应力集中现象，表明扭矩台肩主要承担了上扣扭矩产生的轴向力，起到了过扭保护作用，而连接螺纹所受的应力较小，提高了接头的连接强度；除靠近主密封面的前3牙螺纹根部应力较大外，其余螺纹应力值较小且分布较均匀，因此，接头螺纹应力分布理想，保证了良好的连接性能。

图2 上扣时某特殊螺纹油管接头等效应力分布云图

3 轴向力作用时接头应力分析

图3 不同轴向拉力下油管接头等效应力分布云图

图3为不同轴向拉力作用下接头等效应力分布云图，随着轴向拉力的增大，密封面及扭矩台肩处应力数值及分布变化不大，而接头两端啮合螺纹及管体应力增大，说明在一定范围内轴向拉力对接头密封性能影响不大，不过，若轴向拉力过大，部分啮合螺纹应力大于屈服强度，可能产生粘扣甚至发生局部失效。

图4为不同轴向压力作用下接头等效应力分布云图，可以看到，密封部位及靠近密封面处前2扣啮合螺纹应力较大；随着轴向压力的增大，最大等效应力由密封面逐渐向扭矩台肩处转移，扭矩台肩分担部分轴向压力，可提高接头的抗压缩性能。

图4 不同轴向压力下油管接头等效应力分布云图

4 内压作用时接头应力分析

图5为不同内压作用下油管接头等效应力分布云图，等效应力随内压的增加而增大，且最大值均出现在密封面处。虽然内压为40MPa时，密封面处最大等效应力已超过管材的屈服极限，因该处为压应力，所以密封面仍能够发挥密封作用；然而当内压达到120MPa时，管体等效应力接近或超过管材的屈服极限，管体及接头密封将因此而失效。

图5 不同内压下油管接头等效应力分布云图

图6 80MPa内压与不同轴向拉力复合作用下油管接头等效应力分布图

图7 80MPa内压与不同轴向压力作用下油管接头等效应力分布云图

5 内压与轴向力复合作用时接头应力分析

图6为内压与轴向拉力复合作用下接头的等效应力分布云图，可以看出，随着轴向拉力的增大，最大等效应力点由密封面逐渐向大端螺纹处转移——轴向拉力为200kN时最大等效应力点在密封面处，而轴向拉力为400kN、600kN、800kN、1000kN时，最大等效应力分别出现在第1、2、9、10啮合螺纹处。

图7为内压与轴向压力复合作用下等效应力分布云图，可以看出：轴向压力增加，最大等效应力均在密封面处，并且密封面处最大等效应力变化不大。因此，说明在一定范围内，轴向压力对该特殊

螺纹接头密封面应力值影响不大。

6 结束语

以某88.9mm×6.45mm P110特殊螺纹油管接头为例，通过有限元应力分析，得到了上扣扭矩、内压、轴向力及复合载荷等不同载荷作用下密封面、扭矩台肩及连接螺纹的应力分布规律，分析表明：内压与轴向拉力复合作用时，随着轴向拉力的增大，最大等效应力点由密封面逐渐向大端螺纹处转移；在复合载荷作用下，该特殊螺纹接头两端仍有较大的应力集中现象，存在应力不均问题，

应该进一步优化设计螺纹参数。

[1] 吕拴录, 韩勇, 赵克枫, 等.特殊螺纹接头油套管使用及展望[J].石油工业技术监督,2000, 16(3): 1-4.

[2] 李勇, 廖锐全, 张慢来, 等.特殊扣油管接头的应力及密封特性分析[J].石油机械, 2011,39(4): 35-37.

[3] 石晓兵, 陈平, 聂荣国, 等.高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究[J].石油机械,2006, 34(6): 32-34.

[4] 窦益华, 张福祥, 等.高温高压深井试油井下管柱力学分析及其应用.钻采工艺, 2007,30(5): 17-20.