超高温高压流变仪耐压测试腔螺纹设计与强度校核研究

2018-03-05邓都都李进韩天夫赵建刚丁明孙涌许云博李慧想

地质装备 2018年1期

邓都都，李进，韩天夫，赵建刚，丁明，孙涌，许云博，李慧想

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2.青岛海通达专用仪器有限公司，山东青岛 266000)

1 引言

高温高压测试腔是国家重大科学仪器专项《超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化》项目中研制的关键部件之一。该部件的研制能够有效解决在超高压力超高温度的试验条件下测试钻井液、压裂液等各种牛顿流体或非牛顿流体的流变性，为超高温高压钻井液流变仪的研制成功起到了关键作用。根据测试需求，超高温高压流变仪工作时耐压测试腔内部最高压力达到220 MPa，最高工作温度320 ℃，设计的耐压测试腔水压试验压力更是要达到260 MPa，超高的压力对螺纹副的强度提出了巨大的挑战。

2 超高温高压耐压测试腔整体设计

通过前期的材料优选和仿真设计研究，完成了超高温高压耐压测试腔的结构设计。实际的整体设计见图1，其主体由泥浆杯、中间体、上端帽组成，这三部分采用螺纹副连接。

图1 超高温高压耐压测试腔体整体设计图

根据耐压测试腔的整体设计要求，该螺纹连接副为非密封的承压螺纹，螺纹用钢为哈氏高强度耐腐蚀合金钢。耐压测试腔实际工作中频繁的操作会造成工作压力和载荷的变化，而且测试时流体高速旋转也会产生一定的压力波动，这些都会导致耐压测试腔螺纹副承受交变循环应力，对于这种超高压容器一般峰值应力高，破坏时循环周次低，需要按照低周疲劳作为基础来设计，提高螺纹副的抗疲劳强度，保证耐压测试腔在正常使用过程中不发生破坏[1]。

耐压测试腔的水压试压最高达到260 MPa，此时螺纹副承受轴向峰值载荷巨大，需要合理的设计并按照静强度理论校核其强度，以保证螺纹连接的安全可靠。

3 螺纹的结构设计

对于螺纹副联接在承受载荷时，旋合的各圈螺纹实际受力是不均匀的，从起始端向末端逐级递减，实际前1/3长度的螺纹已经承受了总载荷的60%～70%，后2/3螺纹仅承受了总载荷的30%～40%[2，3]。传递力的第1圈螺纹所受载荷最大，以后各圈递减，螺纹副的旋合长度越长，整体结构受力的不均匀程度就越明显；因此，单纯地增加旋合长度对于提高螺纹副的承载能力并不能起到根本的作用。针对于超高温高压腔体的使用需求，需要综合多方面的考虑，完成螺纹副的设计，最大程度的提高螺纹副的疲劳强度[4]。

3.1 选择合适的螺纹牙形[5]

根据流变仪测试需求，耐高压腔体的螺纹在测试时需要承受巨大的载荷，测试后又需要快速方便的开启。普通的粗牙螺纹自锁性能与抗剪切性能较好，应用广泛；但是其抗拉强度不够，又不耐磨，难以满足超高压容器的使用需求。普通螺纹螺距短，牙型高度较小，导致这种螺纹强度远低于梯形螺纹。梯形螺纹具有工艺性能好、牙根强度高、螺纹副对中性能好的特点，抗拉和抗剪切性能优良，螺纹旋合与拆卸方便，已在很多仪器中得到了应用[6,7]。

3.2 降低螺纹牙的应力集中

由于筒体螺纹的牙根和退刀槽部位结构不连续，会产生应力集中，也是产生疲劳裂纹引起断裂的危险部位，特别是受力很大的第1～2圈螺纹处，情况更为严重。为了降低该处的应力集中，对牙底做大圆弧处理，可以在结构允许的条件下尽可能的增大牙底的圆角半径，牙顶做倒角处理，充分保证螺纹的圆滑过渡，也能更好的保证螺纹副快速的安装与拆卸，具体的优化设计见图2。这样的设计能够有效地减少螺纹根部的应力集中，提高螺纹的疲劳强度。

图2 改进的螺纹牙形

3.3 改进螺纹受力部位

根据螺纹的实际受力情况，螺纹承受最大载荷的部位是在受载端的最初几圈螺纹，该部位螺纹的结构刚度与螺纹所能承受的最大应力有很大关系。结构刚度大，螺纹在承受载荷时的变形就小，螺纹根部的应力集中就明显；相反，局部刚度适当降低，可以增大螺纹由于受载产生的变形，由于变形协调，局部较高的应力峰值就降低了，从而减少了应力集中。因此，通过改变螺纹部位的实际受力点的位置，人为地将最大作用力从端部转移到第2～3圈螺纹处，改善了整体螺纹的受力分布情况，可以起到降低应力峰值的作用，改进后螺杆受力位置如图3所示。采用图示中的结构有效的降低了螺纹的局部应力峰值，提高螺纹的疲劳强度。

图3 改进螺纹受力位置

3.4 改进螺纹加工工艺

由于螺纹本身结构具有特殊性，螺纹副的整体的接触性能是否良好，对螺纹副的抗疲劳强度有很大影响，实际加工时应该尽可能的提高加工精度，降低螺纹受力面的表面粗糙度，可以降低萌生裂纹的数量和尺寸，从而明显地提高疲劳寿命。采用滚压工艺对螺纹进行强化处理[8,9]，滚压强化是使用一个与螺纹根部的圆角几何尺寸完全相同的滚轮，在零件旋转时对螺纹施加一定的压力，使金属表面产生一个弹塑性变形层，在这个变形层内造成了很高的残余压应力，从而提高疲劳强度。有实验研究表明，滚压强化后螺纹整体疲劳强度极限能够提高60%[10]。

4 螺纹强度校核

4.1 受力情况

根据超高温高压流变仪耐压测试腔的整体设计，腔体实际为上端帽、中间体和泥浆杯三部分组成，实际的螺纹连接结构有两部分，即为中间体与上端帽之间、中间体与泥浆杯之间。考虑到耐压测试腔体泥浆杯与上端帽内体联通为一个整体，实际加液压后内部的压力相同。通过分析比较上端帽承载面积明显小于泥浆杯的承载面积，下部泥浆杯产生的轴向应力要明显大于上端帽，而两个部分的螺纹副旋合长度也相当，故只需要对中间体与泥浆杯之间的连接螺纹进行强度校核即可。根据机械设计理论，当螺杆与螺母材料相同时，由于螺杆的小径d小于螺母的螺纹的大径D，螺杆螺纹牙受力要大于螺母螺纹牙的受力，实际只需校核螺杆强度即可。

4.2 螺纹参数

实际设计的的螺杆梯形螺纹结构特征如图4，其中P=6.35 mm，牙型角θ=29°，螺纹牙型高度h=4 mm，牙底圆半径R=1.38 mm，螺杆螺纹大径D=6.5 mm，螺杆螺纹中径d=64.5 mm。螺纹总牙数a=8.3，考虑实际装配中的工艺因素，有效啮合的螺纹牙数为b=6。

图4 梯形螺纹结构特征

根据文献[11]对于螺纹连接压力分布的研究，可以知道分配系数分布在各扣螺纹上具有一定的规律，约前1/3螺纹牙的承载水平较高。承载力最大的螺纹牙承受的轴向载荷大约为整个螺杆平均承载水平的一倍。根据这一理论可以知道，实际校核时只需校核承受力最大的一个螺纹牙，如果其满足强度要求，其他的螺纹牙必然也满足，校核时应该同时考虑弯曲应力和剪应力，选择第四强度理论来进行校核。