无接箍式双台肩油管接头结构设计与分析

2017-10-11吴丹

焊管 2017年8期

关键词：外螺纹管体油管

吴丹

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳421001）

无接箍式双台肩油管接头结构设计与分析

吴丹

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳421001）

为满足油田对特殊油管作业管柱的要求，通过有限元分析以及结构优化，设计出一种新型无接箍式双台肩油管特殊螺纹接头。新型无接箍式双台肩油管接头螺纹采用两级圆柱螺纹，齿顶、齿底平行于管体轴线，齿形为优化的偏梯形螺纹；密封结构采用两级密封，主密封为锥面对锥面的金属密封，次密封为斜面台阶密封；扭矩台阶采用两级直角台阶，抗压缩性能良好。有限元分析结果和实物试验验证表明，此接头抗粘扣性能良好，具有较优异的连接强度及抗内压性能，适合对接头外径有限制且对油管接头性能要求较高的油井使用。

油管；双台肩；无接箍；特殊螺纹接头

Abstract:In order to meet the requirements of the oil field for the special tubing string,a new type of no-coupling double shoulder tubing special threading connector was designed through finite element analysis and structural optimization.The new type no-coupling double shoulder tubing threading connector adopts two levels cylindrical thread,the thread crest and root are parallel to the pipe body axis,and thread profile is optimized buttress thread;the seal structure adopts a two-stage seal,the main seal is the metal seal of the cone to the cone,and the secondary seal is the bevel step seal.The torque step adopts two-step right angle step,and the compression performance is good.Finite element analysis results and physical test showed that the anti-galling performance of this joint is good,has the excellent connection strength and internal pressure resistance,it is suitable for the oil well with limit to outer diameter of joints and high performance requirements for tubing joint.

Key words:tubing;double shoulder;without coupling;premium tread connection

油田进行油管作业时，由于作业次数增多以及受到环空间隙的影响，对接头的外径尺寸有一定的要求，并且要求保证密封性能、连接强度以及抗压缩性能。API油管分为加厚油管（EU）和不加厚油管（NU），因其结构设计的原因，存在很多难以克服的缺陷，比如抗粘扣性能差、密封性能差等。因此，本研究设计了一种无接箍式双台肩油管新型特殊螺纹接头，以满足对接头外径有限制且对油管接头性能要求较高的油井。

1 新型特殊螺纹接头结构设计

1.1 内、外螺纹接头结构

无接箍式双台肩油管结构设计采用管端内外加厚的方式，在管体上直接加工内螺纹和外螺纹，不同管体之间的内、外螺纹互相连接，不带接箍。外螺纹接头从管端起，依次设计管端直角台肩、锥面密封、前级螺纹、中间扭矩台肩、后级螺纹和斜面台肩。内螺纹接头从管端起，依次设计斜面台阶、前级螺纹、中间扭矩台肩、后级螺纹、锥面密封和直角台肩。内、外螺纹接头如图1所示，前级螺纹和后级螺纹为优化的偏梯形螺纹，是锥度为0的圆柱螺纹，螺纹齿顶、齿底平行于管体轴线。

图1 无接箍式双台肩油管内、外螺纹接头

1.2 螺纹齿形设计

1.2.1 螺纹承载面和导向面角度

外螺纹与内螺纹拧接后，相互接触面称为承载面，另一面称为导向面。承载面为正角度，在上扣时不易磨损，可减少上扣时的应力集中，增加螺纹的使用寿命，且有利于减少镀层在承载面的积存。螺纹导向面采用大角度，可降低错扣率，利于油田下井，便于对扣，提高作业效率。通过有限元分析及综合考虑，确定承载面角度为+6°，导向面角度为15°，如图2所示。

图2 外螺纹接头齿形

1.2.2 螺纹齿高、螺距和锥度

内螺纹和外螺纹连接后，在载荷的作用下，内螺纹会向外膨胀，外螺纹会向内收缩，如果内、外螺纹的径向位移大于齿高，则会产生滑脱。但对于管体外径88.9 mm的油管，连接后接头变形小，可选择较低的齿高；同时可选择较小的螺距来提高连接强度，但过小的螺距将影响上扣效率。API偏梯形螺纹的螺距为每英寸5牙（5牙/2.54 mm），齿高为1.575 mm。综合考虑确定本研究螺距为每英寸6牙（6牙/2.54 mm），内、外螺纹齿高为1.28 mm，螺纹锥度为0。

1.2.3 螺纹过盈

为使接头的危险截面面积大于或等于管体的横截面积，从而保证接头拉伸屈服强度大于或等于管体拉伸屈服强度，同时兼顾接头的外径及内径尺寸，确定对管端进行内、外加厚。螺纹主要承受载荷和连接作用，采用圆柱螺纹无过盈设计，可保证接头的抗粘扣性能，降低上扣应力水平。

1.3 螺纹密封

密封结构采用两级密封，第1级密封为主密封，采用锥面对锥面金属密封，内、外螺纹的密封锥度为1∶1.8；第2级密封为次密封，采用斜面台肩密封，斜面台肩与管体轴线的夹角为65°。当内、外螺纹接头初步拧接时，主密封先接触，产生接触压力，随着进一步拧紧，扭矩增大，次密封斜面台肩接触，以减少主密封的应力集中，保证接头的密封性能，同时具有上扣定位和防过扭矩作用。

1.4 螺纹扭矩台阶

扭矩台阶设计为两级90°直角台肩，分别为中间扭矩台肩和端部直角台肩。一般的无接箍式直连型接头的压缩性能较低，通过合理设计的无接箍式双台阶接头抗压缩性能达到管体压缩屈服强度的80%。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

利用ABAQUS软件对L80-1钢级Φ88.9 mm×9.52 mm无接箍式双台肩接头进行有限元分析计算。根据接头的实际材料性能输入其弹性模量和泊松比，并以表格形式输入真应力—真应变数据。根据接头结构和受力特点，将其按轴对称问题处理，为消除管端效应，建模时取管体长度约为螺纹长度的3倍。接头材料视为均匀的各向同性体，接触面的摩擦系数与实际接触面粗糙度及实际螺纹脂类型有关，按实际试验选取。图3为螺纹接头有限元网格模型，接触部位进行细化，采用四节点四边形单元CAX4，接触模式为surface to surface。

图3 特殊螺纹接头的接触部位有限元网格局部细分

2.2 有限元计算结果

图4为螺纹接头在不同状态时的应力云图。由图4（a）可以看出，在主密封以及外斜台肩处应力水平较高，接触受力较大，能保证良好的密封作用；靠近外斜台肩螺纹部位应力水平较高，中间螺纹部位应力水平低，最大应力均在材料屈服应力以内。图4（b）为上扣+管体100%VME拉伸等效应力云图，可以看出，此时管体接近屈服，管体以及连接部位危险截面应力水平达到最高，但内外密封部位仍保持较好的接触状态，螺纹保持较好的连接状态，说明接头已超过管体连接强度。图4（c）为上扣+管体80%VME压缩等效应力云图，可以看出，连接部位两端应力水平较高，其中外斜台肩局部开始出现屈服，但还未达到屈服贯穿，此时为接头最大压缩效率。图4（d）为上扣+管体100%VME内压等效应力云图，可以看出，管体及接头中间管内开始出现屈服，内螺纹部位应力水平仍然较低，接头未发生变形，螺纹及密封部位仍然保持良好的连接状态，说明接头达到管体100%VME内压。