弯曲载荷下特殊螺纹油管接头应力有限元分析

于　洋，王　轲，曹银萍，窦益华

（西安石油大学机械工程学院，西安710065）①

弯曲载荷下特殊螺纹油管接头应力有限元分析

于洋，王轲，曹银萍，窦益华

（西安石油大学机械工程学院，西安710065）①

利用Abaqus有限元软件建立了某特殊螺纹油管接头的三维有限元模型，分析了不同弯曲载荷下特殊螺纹油管接头的应力分布情况。结果表明：弯曲载荷对该型特殊螺纹接头的连接强度与密封性有一定的影响，而对连接强度的影响较大，随着弯曲载荷的增大各圈螺纹粘扣可能性就越大；弯曲载荷下密封面处接触应力相对于上扣作用下整体略有下降，受拉伸端台肩处由于存在间隙导致接触应力为零，但密封面处环向路径仍然保持了较高的接触应力。

特殊螺纹；弯曲载荷；三维有限元；应力分析

油管在服役过程中的受力十分复杂，包含轴向力、内外压以及弯曲等载荷。轴向力会使管柱发生屈曲变形，在管柱屈曲变形段会有弯曲载荷的存在，而在定向井造斜段中管柱的弯曲程度更为严重，因此，弯曲载荷对特殊螺纹接头性能好坏有很大的影响。在以前研究中，有限元法对特殊螺纹油管接头进行复杂工况下连接强度与密封性评价的应用较为普遍，但大都采用二维轴对称模型对特殊螺纹接头进行轴向力、内外压工况下的有限元分析。弯曲载荷并非轴对称载荷，因此相较于二维有限元模型，在弯曲载荷对特殊螺纹接头完整性影响的分析应用中，三维有限元模型的计算结果更加切合实际。由于油管间的连接是通过油管与接箍间螺纹的啮合来实现的，这样在外螺纹与内螺纹间形成了1个复杂的空间螺旋曲面。因此，本文建立了考虑螺纹升角且完整精确的某特殊螺纹油管接头88.9 mm×6.45 mm P110三维有限元模型，分析了弯曲载荷对特殊螺纹油管接头连接强度以及密封性能的影响。

1　特殊螺纹接头有限元模型的建立

某特殊螺纹油管接头几何模型如图1所示。接头采用偏梯形螺纹，螺纹锥度1∶16，承载面角3°，导向面角10°，内外螺距均为每英寸5牙，密封面为锥度1∶2锥面对锥面密封，转矩台肩为逆向角15°，起辅助密封作用。该接头所用材料的屈服强度758 MPa，弹性模量206 GPa，泊松比0.3，摩擦因子0.02。利用Solidworks软件分别建立油管、接箍几何模型，再装配为一体。

图1　特殊螺纹油管接头几何模型

有限元模型如图2所示，该模型均采用8节点C3D8R单元，该单元为六面体单元，对扭曲方面的计算结果较为精确。本文主要对特殊螺纹接头密封性与连接强度进行分析，因此，划分网格时对密封面与螺纹处进行细化处理，以此实现更为精确的结果。接头之间的接触采用表面与表面接触，求解器类型为Abaqus/Standard，该类型求解器在接触问题上的应用具有较强的功能。

图2　特殊螺纹接头有限元模型

2　弯曲载荷对特殊螺纹接头密封性能的影响

以最佳转矩完全拧紧后，特殊螺纹接头在30°/30 m弯曲载荷下的等效应力云图如图3所示。在弯曲载荷下，接头应力分布不均匀，出现应力集中现象，接头整体应力分布近似呈现轴对称现象，一半处于拉伸状态，另一半为压缩状态，拉伸端与压缩端应力较大，而对称面附近应力较小。接头最大等效应力为865 MPa，出现在接头压缩端螺纹处。在接头受拉伸端，接近密封面处接箍管体出现了应力集中；在接头受压缩端，油管螺纹大端消失点平面处出现了应力集中。

图3　弯曲载荷下特殊螺纹接头等效应力云图

图4为30°/30 m弯曲载荷下特殊螺纹油管接头二维等效应力云图。在弯曲载荷下，接头受拉伸端台肩处出现明显间隙，接触应力减小为零，密封面充分接触；压缩端台肩充分接触，应力较大。

图4　特殊螺纹接头拉伸端与压缩端二维等效应力云图

特殊螺纹油管接头在上扣作用与弯曲载荷下，密封面与台肩环向路径接触应力变化曲线如图5所示。在上扣作用下，接头密封面接触应力整体大于台肩处，密封面与台肩处接触应力分布较均匀，密封面处最大接触应力为399 MPa，最小为362 MPa；台肩处最大接触应力为243 MPa，最小为215 MPa。在弯曲载荷下，接头密封面处接触应力相对于上扣作用下整体减小，台肩处受拉伸部分接触应力减小，受压缩部分应力增大。接头受拉端密封面接触应力大于台肩处，密封面处最大接触应力为447 MPa，最小为273 MPa；受压端台肩接触应力大于密封面处，最大接触应力为733 MPa，应力大小随着环形路径呈拱形变化。受拉端台肩处由于存在间隙，接触应力减小为零，但密封面处环形带仍然保持了较高的接触应力。因此，弯曲载荷对接头的密封性能影响较小，30°/30 m弯曲载荷下接头仍然可以保持较好的密封。

图5　密封面与台肩环向路径接触应力变化曲线

3　弯曲载荷对特殊螺纹接头连接强度的影响

在上扣作用与弯曲载荷作用下，特殊螺纹接头啮合螺纹处等效应力云图如图6所示，可以看出：啮合螺纹处应力分布不均匀，有应力集中现象；上扣作用下，油管小端螺纹处应力较大，大端螺纹处应力较小，最大等效应力出现在油管小端第1圈螺纹处，为285 MPa，整体应力小于材料屈服强度；在30°/30 m弯曲载荷下，啮合螺纹处最大等效应力出现在螺纹大端第1圈处，为865 MPa，螺纹大端前4圈处应力较大，小端螺纹处应力相较于大端处较小，最大等效应力大于材料屈服强度，发生了微小的塑性形变。

综上所述，在上扣作用与弯曲载荷下，螺纹处应力的分布发生了较大的变化，因此弯曲载荷对螺纹处应力的分布有较大的影响，从而提高了螺纹发生粘扣的可能性，降低了螺纹连接强度。

图6　螺纹处等效应力云图

每圈啮合螺纹处最大等效应力如图7所示，接近密封面处螺纹规定为第1圈。在上扣作用下，各圈螺纹最大等效应力总体相差不大；在弯曲载荷下，各圈螺纹最大等效应力值均大于在上扣作用下的最大等效应力，第9～13圈螺纹承担了主要的载荷份额，且最大等效应力均大于材料屈服强度。每种弯曲载荷下啮合螺纹处最大等效应力值从第1～13圈均逐渐增大，当弯曲载荷为40°/30 m时，螺纹第13圈处最大等效应力值达到最大值878 MPa，大于材料屈服强度。因此，随着弯曲载荷的变大，各圈螺纹处最大等效应力均在逐渐增大，而粘扣的可能性也在逐渐增大。

图7　各圈螺纹最大等效应力

4　弯曲载荷对特殊螺纹接头密封性与连接强度影响对比分析

图8为上扣作用与不同弯曲载荷下接头密封面、台肩、螺纹处最大等效应力。在上扣作用下，密封面、台肩、螺纹处最大等效应力分别为759、750、285 MPa；20°/30 m弯曲载荷下密封面、台肩、螺纹处最大等效应力分别为778、771、834 MPa；30°/30 m弯曲载荷下密封面、台肩、螺纹处最大等效应力分别为788、765、865 MPa；40°/30 m弯曲载荷下密封面、台肩、螺纹处最大等效应力分别为791、770、878 MPa。弯曲载荷下，密封面、台肩、螺纹处最大等效应力均大于材料屈服强度从而发生了微小的塑性变形。随着弯曲载荷的增大，螺纹、密封面最大等效应力呈上升趋势，但螺纹处上升幅度最大，其次是密封面，台肩处等效应力略有变化。因此，弯曲载荷对接头的连接强度与密封性均有一定的影响，而对连接强度的影响较大。

图8　不同弯曲载荷下密封面、台肩、螺纹处最大等效应力

5　结论

1） 在弯曲载荷下，特殊螺纹接头应力分布不均匀，有应力集中现象出现，接头整体应力分布近似呈现轴对称现象，一半处于拉伸状态，另一半为压缩状态，拉伸端与压缩端应力较大，而对称面附近应力较小。

2） 在弯曲载荷下，密封面处接触应力相对于上扣作用下整体下降，特殊螺纹接头受拉伸端密封面处接触应力大于受压缩端密封面接触应力，受压缩端台肩接触应力随着环形路径呈拱形变化，整体应力变大，而拉伸端由于台肩存在间隙所以接触应力为零。但密封面处环向路径仍然保持了较高的接触应力。

3） 弯曲载荷对该型特殊螺纹接头的连接强度与密封性均有一定的影响，而对连接强度的影响较大，随着弯曲载荷的增大，各圈螺纹处最大等效应力均在逐渐增大，而粘扣的可能性也在逐渐增大。

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Finite Element Analysis of the Stress of Premium Connection Loaded by Bending Loads

YU Yang，WANG Ke，CAO Yinping，DOU Yihua
（College of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

The stress distribution of premium connection under different bending load is analyzed and Abacus finite element software is used to establish a three-dimensional finite element model of premium connection.The results showed that Bending loads have a certain impact on the strength of the connection and seal characteristic，but a greater impact on the strength of the connection.With the increase of bending load，the possibility of each ring thread galling is on the rise.The contact stress of the sealing surface under bending load gets less overall than that the given the buckle.The contact stress of stretched side torque shoulder is zero due to a space.But the contact stress of sealing surface on a circular path under bending load is so large that sufficient to ensure the seal.

premium connection；bending load；three dimensions finite element；stress analy sis

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.013

1001-3482（2015）07-0053-04

①2015-01-01

国家自然科学基金“体积压裂管柱特殊螺纹接头流固耦合振动机理及密封性研究”（51404198）

于 洋（1986-），男，河南开封人，工程师，硕士，主要从事试油、完井管柱完整性方面的研究。