基于正交试验的特殊螺纹油管接头性能优化分析∗

刘源纪爱敏李堑樊鑫业许才斌

基于正交试验的特殊螺纹油管接头性能优化分析∗

刘源1纪爱敏1李堑1樊鑫业2许才斌2

（1.河海大学机电工程学院常州213022）（2.江苏常宝钢管股份有限公司常州213018）

为了对某一种特殊螺纹油管接头的连接性能和密封性能进行优化分析，利用矩阵分析法对特殊螺纹油管接头的承载角、承受的内压、台肩角以及锥度的组合进行筛选。通过建立正交试验的三层结构模型和层结构矩阵，利用各层矩阵的乘积得出实验指标值（台肩面接触应力，主密封面接触应力，螺纹处最大等效应力）的权矩阵，并计算出影响特殊螺纹油管接头的各因素各水平的权重；根据权重的大小，确定最优组合方案以及各因素对油管接头性能影响的主次顺序。结果表明：承载角为-3°，内压为30MPa，台肩角为-15°，锥度为1∶16时，特殊螺纹油管接头可以保持相对较好的连接性能和密封性能。

特殊螺纹；优化分析；正交试验；权矩阵

Class NumberTP391

1引言

为了满足特殊螺纹油管接头在日益苛刻的环境中保证拥有较好的密封性能和连接性能，本研究从特殊螺纹油管接头的结构参数及所受内压着手分析，通过分析承载角、内压、台肩角以及锥度这四个因素对油管接头性能的影响，从中筛选出最佳组合方案，从而达到提升特殊螺纹油管接头的连接强度和密封性的目标。由于在特殊螺纹油管接头性能优化分析的研究中，影响油管接头性能的因素较多，因此，比较适合选用多指标正交试验方法来对油管接头性能进行优化分析，而在生产试验中，对于多指标正交试验的解决，普遍采用的方法是取各指标权重的平均值并采用平均赋权法，利用试验结果将多指标试验问题转化为单指标试验问题，然后利用单指标分析方法（直观分析法、效应分析法、方差分析法）对方案进行综合选优，这种方法忽略了各指标的差异性和重要性，分析结果难免会有较大的误差［1～3］。本文利用矩阵分析法（优化的多指标正交试验方法）来分析影响特殊螺纹油管接头的各因素对其相应指标的影响程度，并且可以直接根据权重的大小来确定各影响因素的主次顺序，可以较好地解决一般多指标正交试验设计中的最优方案选择的问题［4］。

2正交试验矩阵分析模型

本文采用的正交试验数据结构模型为三层结构模型，如表1所示，第一层为试验考察指标层，第二层为因素层，第三层为水平层，根据各个层次的数据，给出以下矩阵的定义。

定义1实验考察指标层矩阵：若正交试验中有x个因素，每个因素有y个水平，因素Ai第j个水平上的试验指标的平均值为hij，如果试验结果的考察指标是越小越好，则Hij=1/hij，如果试验结果的考察指标是越大越好，则令Hij=hij，建立式（1）矩阵。

定义3水平层矩阵：正交试验中因素Ai的极差为，建立式（3）矩阵。

定义4影响试验指标值的权矩阵：w=LT S。

以上矩阵中w1=H11T1S1，H11T1为，是因素A1第一水平的指标值占A1所有水平的指标值总和的比；时，是因素A1的极差占所有因素极差总和的比，w1的数值不仅能够反映因素A1第一水平对指标值的影响程度，而且能反映因素A1极差的大小，其它的因素和水平也类同，根据以上定义矩阵进行计算，可以得出各因素各水平对试验结果考察指标影响的权重，根据权重可以得出试验最优方案以及影响因素的主次顺序。

3特殊螺纹油管接头性能优化分析

本文以某钢管有限公司的ϕ177.80×9.19mm H QSC特殊螺纹油管接头为研究对象，该油管接头的螺纹牙型是经过对偏梯形螺纹进行调整改造而成的，同时选择使用锥面对锥面的主密封以及负角度的扭矩台肩的双重密封形式，来加强油管接头的密封性能［5～6］。由实际使用情况可知，特殊螺纹油管接头的承载角dj1、内压h*、台肩角度dj3、锥度dr等四个因素对油管接头的连接强度和密封性有较大的影响［7］。试验前由于这些结构参数配合得不好，经常导致油管接头发生泄露，啮合螺纹间发生粘扣等现象，为了解决这些问题，通过实验分析来筛选出这四个因素的最优组合，使得特殊螺纹油套管的密封性和连接强度均达到一个较好的性能。试验中各影响因素的水平均有三种，因素水平表见表2。

表2 因素水平表

其中所要求的质量指标为：台肩面接触应力（一定范围内越大越好）、主密封面接触应力（一定范围内越大越好）、螺纹处的最大等效应力（一定范围内越小越好）［8～9］。综合以上因素和水平数目可知，该试验为四因素三水平试验，故选取L9（34）正交表［10］，表头设计见表3，试验方案及试验结果见表4。

表3 表头设计

表4 试验方案、试验结果及结论

第一个试验考察指标为台肩面接触压力（在一定范围内越大越好），利用矩阵分析法，其权矩阵w1的计算过程为

第二个考察指标为主密封面的接触压力（在一定范围内越大越好），同样采用矩阵分析法可得其权矩阵（计算过程如w1）：

第三个试验考察指标为螺纹处最大等效应力（一定范围内越小越好），利用矩阵分析法，其权矩阵w3的计算过程为

由以上式子可得：

在本次正交试验考察指标的总权矩阵为三个指标值的权矩阵的平均值，计算过程如下：

由以上计算分析可知各个因素对正交试验的指标值影响的主次顺序为BDAC（主→次），因素A2、B2、C3、D1的权重最大，正交试验的最优方案为A2B2C3D1，即：特殊螺纹油管接头在承载角为-3°，承受内压为30MPa，台肩角为-15°，锥度为1∶16时，特殊螺纹油管接头可以保持相对较好的连接性能和密封性能，这在很大程度上提高了H QSC特殊螺纹油管接头在实际工况下工作时的抗粘扣能力以及抗泄露能力。此外，经过该正交试验所得试验结果也比较适合实际工况，例如：承载角选择-3°即避免螺纹扣牙上产生较大的塑性变形，又可以较好地防止套管滑脱失效；台肩角为-15°可以使得扭矩台肩拥有较好的辅助密封效果；当单独分析内压对特殊螺纹油套管时，应该是内压越大越好，但是在实际工况下要综合全方面的影响因素；因此，通过与特殊螺纹油套管有限元模型在ANSYS中的应力分析相比较，再次验证了应用该优化的正交试验法可以得到比较可靠的试验结果。

4结语

通过计算分析可知，本文研究的HQ S C特殊螺纹油套管接头的正交试验分析结果和油管接头实际工况下的性能试验分析结果大致相同，利用这种基于正交试验的多指标优化方法对该特殊螺纹油套管接头进行优化分析，不仅大大减少了常规实际工况下实验分析的繁琐步骤，省时省钱省力，而且所得试验结果和在实际工况下油管接头性能分析的结果大致形同，大大提高了对特殊螺纹油套管性能优化分析的效率。

后续研究中，将利用该正交试验设计的分析方法并结合SAS软件计算分析对特殊螺纹油套管的连接性能、密封性能以及稳定性能做进一步的优化分析。

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Performance Optimization Analysis of SpecialThreaded Pipe Joint Based on OrthogonalTest

LIU Yuan1JI Aimin1LI Qian1FAN Xinye2XU Caibin2
（1.College of Mechanicaland Electronic Engineering，HohaiUniversity，Changzhou 213022）（2.Jiangsu Changbao Steeltube Co.，Ltd，Changzhou 213018）

In order to optimize the connection performance and sealing performance ofa kind ofspecialthreaded tubing joint，the matrix analysis method is used to selectthe bearing angle ofthe jointofthe specialscrew thread，and the combination ofthe in⁃ternal pressure，the shoulder angle and the taper of the joint.By establishing the three layer structure model of orthogonal test and layer structure matrix，the productofeach layer matrix is used to obtain the experimentalvalues ofthe weightmatrix，including the shoulder ofcontactstress，main sealing surface ofcontactstress and the maximum equivalentstress ofthe screw，and the weights of various factors affecting the jointofspecialthreaded tubing are calculated.According to the weightofthe size，the optimalcombina⁃tion of the program as well as the impact of the factors on the performance of the main sequence of primary and secondary is deter⁃mined.The results show thatthe bearing angle is-3°，the internalpressure is 30MPa，the shoulder angle is-15°，the taper is 1∶16，the specialscrew thread jointcan keep relatively good connection performance and sealing performance.

premium thread，optimization analysis，orthogonaltest，weightmatrix

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.002

2017年3月10日，

2017年4月21日

国家自然科学基金项目（编号：51175146）；江苏省政策引导类计划（产学研合作）前瞻性联合研究项目（编号：BY2015030-02）资助。

刘源，男，硕士研究生，研究方向：数字化设计。纪爱敏，男，教授，博士生导师，研究方向：数字化设计。