特殊螺纹气密封性数值模拟

艾　池，高长龙，郝　明，徐　乐，李　腾

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.辽河油田钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010）①

特殊螺纹气密封性数值模拟

艾池1，高长龙1，郝明1，徐乐2，李腾2

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.辽河油田钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010）①

利用ANSYS软件，以BGT1螺纹和FOX螺纹为研究对象，对不同轴向拉载荷作用下特殊螺纹的Von Mises应力及接触应力进行数值模拟研究。结果表明：特殊螺纹公扣密封面及母扣管体大端Von Mises应力较高，容易发生塑性变形，在相同轴向拉载荷条件下，FOX螺纹较BGT1螺纹更易发生塑性变形；随着轴向拉载荷增加，BGT1螺纹和FOX螺纹的接触长度不变，密封面上接触应力逐渐减小，气密封性能降低；在相同工况条件下，FOX螺纹的气密封性能优于BGT1螺纹，且相对于BGT1螺纹，FOX螺纹气密封性能受轴向拉载荷影响较小。

特殊螺纹；接触应力；Von Mises应力；轴向拉载荷；气密封性能

相比于油和水等流体介质，气体具有更强的渗透能力，因此，气井对螺纹密封性能的要求也更加苛刻，一旦螺纹密封失效，将导致气体泄漏和套管环空异常带压等现象的发生［1-3］。目前，在深井、高温高压气井的开采中，油气田大都根据井下工况选择具有高密封性能的特殊螺纹［4-7］。本文利用ANSYS有限元软件，建立BGT1螺纹和FOX螺纹的有限元模型，并对不同轴向拉载荷条件作用下螺纹的Von Mises应力、接触应力和接触长度进行数值模拟研究，分析轴向拉载荷对特殊螺纹气密封性能的影响，为现场实际生产过程中特殊螺纹的合理选用提供理论依据［8-10］。

1　有限元模型

以73.03mm×5.51mmBGT1螺纹为研究对象，其螺纹结构和网格剖分模型如图1所示。BGT1螺纹密封形式为柱面球面［11］，承载面角度3°，导向面角度10°，弹性模量205GPa，泊松比0.3，屈服强度552MPa，抗拉强度655MPa。

图1　BGT1螺纹

以73.03 mm×5.51 mm FOX螺纹为研究对象，其螺纹结构和网格剖分模型如图2所示。FOX螺纹密封形式为球面球面［12］，承载面角度3°，导向面角度10°，弹性模量205 GPa，泊松比0.3，屈服强度379 MPa，抗拉强度517 MPa。

图2　FOX螺纹

本文将模型简化为轴对称结构，螺纹几何尺寸及施加的载荷均关于中心轴对称，螺纹为各向同性材料，材料屈服后各向同性强化，进行弹塑性接触分析。为消除刚性位移，接箍对称面轴向约束，接箍中间平面径向和环向不施加约束，保持自由。选用具有轴对称功能的PLANE82单元对螺纹进行网格剖分，并利用TARGE169与CONTA172接触单元模拟螺纹的面-面接触对。

2　不同轴向拉载荷下特殊螺纹　Von　Mises应力分布

利用ANSYS软件，对不同轴向拉载荷作用下BGT1螺纹和FOX螺纹的受力状态进行数值模拟研究，BGT1螺纹和FOX螺纹在0～300 k N轴向拉载荷作用下Von Mises的应力分布如图3～4所示。

由图3可以看出：公扣密封面上Von Mises应力较大，容易发生塑性变形；距离密封面越远，Von Mises越小，母扣管体大端上Von Mises应力较大，容易发生塑性变形；距离管体大端越远，Von Mises应力越小；随着轴向拉载荷的增加，公扣密封面上的Von Mises应力逐渐降低。

图3　不同轴向拉载荷下BGT1螺纹Von Mises应力分布云图

由图4可以看出：FOX螺纹在不同轴向拉载荷作用下的Von Mises应力分布及变化规律与BGT1螺纹相同；但在相同拉载荷下，FOX螺纹的Von Mises应力高于BGT1螺纹。因此，在相同工况条件下，FOX螺纹更易发生塑性变形。

图4　不同轴向拉载荷下FOX螺纹Von Mises应力分布云图

3　轴向拉载荷对特殊螺纹气密封性能的影响

以图1b和图2b中所示的参考点为起始点，数值模拟不同轴向拉载荷条件下BGT1和FOX螺纹密封面上接触应力的变化规律，如图5～6所示。

图5　不同轴向拉载荷下BGT1螺纹接触应力变化规律

由图5可以看出：随着与参考点距离的增加，BGT1螺纹接触应力先增大后降低，存在最大值点，BGT1螺纹的气密封性能主要依靠此点来实现；随着轴向拉载荷的增加，BGT1螺纹接触长度保持0.795 mm不变，最大接触应力逐渐减小，气密封性能降低。

图6　不同轴向拉载荷下FOX螺纹接触应力变化规律

由图6可以看出：FOX螺纹密封面上接触应力分布与BGT1螺纹有较大区别，上升与下降较快，在轴向拉载荷较小时（0～100k N），FOX螺纹依靠点1实现密封，轴向拉载荷较大（100～300kN）时，点2起到密封作用；随着拉载荷增加，FOX螺纹接触长度保持0.637mm不变，最大接触应力逐渐减小，气密封性能降低。

为比较不同拉载荷条件下BGT1螺纹及FOX螺纹的气密封性能，计算不同轴向拉载荷作用下BGT1螺纹和FOX螺纹密封面上最大接触应力的变化规律，如图7所示。

图7　不同轴向拉载荷条件下螺纹最大接触应力变化规律

由图7可以看出：随着轴向拉载荷的增加，BGT1螺纹及FOX螺纹最大接触应力降低，螺纹气密封性能下降，但相比于BGT1螺纹，FOX螺纹最大接触应力降低相对较为缓慢，其气密封性能受轴向拉载荷影响较小；在相同轴向拉载荷条件下，FOX螺纹最大接触应力高于BGT1螺纹，气密封性能要优于BGT1螺纹。

4　结论

1） 特殊螺纹公扣密封面和母扣管体大端处Von Mises应力较大，容易发生塑性变形；在相同拉载荷条件下，FOX螺纹较BGT1螺纹更易发生塑性变形。

2） 轴向拉载荷不影响BGT1螺纹和FOX螺纹密封面的接触长度，但BGT1螺纹的接触长度大于FOX螺纹的接触长度；随着轴向拉载荷的增加，BGT1螺纹密封点的位置不变，FOX螺纹密封点发生改变。

3） 随着轴向拉载荷增加，BGT1螺纹和FOX螺纹的气密封性能变差；在同一拉载荷作用下，FOX螺纹的气密封性能优于BGT1螺纹；相比于BGT1螺纹，FOX螺纹的气密封性受轴向拉载荷影响相对较小。

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Numerical Simulation Study on Special Sealing Threads

AI Chi1，GAO Changlong1，HAO Ming1，XU Le2，LI Teng2
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Liaohe Oilfield Drilling&Production Technology Research Institute，Panjin 124010，China）

In this paper we use ANSYS to study the Von Mises stress and the contact stress of BGT1 and FOX thread with the different axial tensile loads.The research results show that Von Mises stress is high in the sealing surface of the male thread and tube end of female thread，prone to plastic deformation.In the same conditions of tensile axial load，FOX is more susceptible to plastic deformation than BGT1；with the axial tensile load increases，the contact length BGT1 and threads is invariant，while sealing surface contact stress decreases gradually and gas seal perform ance reduces.In the same condition，the gas seal performance is better than FOX and BGT1.Rela tive to the BGT1 thread，axial tensile load affects less gas sealing performance of FOX threads.

special thread；contact stress；Von Mises stress；axial tensile load；gas seal performance

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.001

1001-3482（2015）07-0001-04

①2014-12-30

国家自然科学基金“基于混沌理论煤层气井压裂孔裂隙分形演化与渗流特征研究”（51274067）

艾 池（1957-），男，黑龙江大庆人，教授，博士生导师，主要从事油气井工程力学、油水井增产增注方面研究，E-mail：aichi2001＠163.com。