油管特殊螺纹接头上扣后密封性仿真研究

白 松

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

在油气田的勘探开发中，油套管通常通过接头连接成井深所需长度来实现油气资源的开采，因此接头性能是油套管管柱的重要质量指标之一。特殊螺纹接头凭借其特殊的结构特点和优越的密封性能，能够更好地服役于高压、高温联合作用下（HPHT）的复杂井况，因此成为油田恶劣工作条件下的首选产品。

特殊螺纹接头通常使用偏梯型螺纹来满足整个管柱结构能达到相同的强度要求，在径向方向采用金属对金属的密封形式（见图1）。除此之外，许多特殊螺纹接头还包括一个扭矩台肩的密封区域来控制上扣扭矩。

图1 特殊螺纹接头示意图

本文对具有代表性的油套管接头Φ114.3×8.56 mm P110上扣后的密封性能进行仿真研究，以期确定合理的套管接头密封性评价方法。

1 密封性仿真评价参数

经分析，选定以下参数作为仿真评价特殊扣密封性能的主要依据[1]：

（1）最大接触压力。本文分析的特殊扣的主密封为金属-金属的密封，接触面金属间的过盈为其密封机理，即接触压力越高，其密封能力越强。特殊扣金属材料的泊松比、上扣变形和介质压力直接影响密封副间的接触压力。防止泄漏最主要的条件是金属面之间的间隙为0，若使密封面间隙为0，则密封面间的最大接触压力应大于密封介质的压力。其中上扣变形与介质压力共同作用下的接触压力模型为式（1），满足密封系统不泄漏的条件是式（2）。

式中：pm-密封耦合面的最大接触压力，MPa；q0-预紧变形后耦合面的最大接触压力，MPa；pmax-工作介质作用下的最大压力，MPa；p-介质压力，MPa。

（2）密封积分强度。本文分析的特殊扣在密封台肩部位构成金属-金属的密封，这里采用密封积分强度来表征其密封性能。密封积分强度不仅考虑了接触压力的影响，还引入了接触长度。

式中：W-密封积分强度，MPa·mm；pn-单元接触压力，MPa，与p无直接关系；L-接触长度，mm。

（3）等效应力。为保证密封面不发生塑性变形以及特殊扣的结构完整性，应使特殊扣各部位的等效应力小于材料的强度极限。

2 油管特殊螺纹接头有限元模型

进行分析的油管规格接头为：Φ114.3×8.56 mm P110，分析中，接头的有限元模型基于大型商业软件ABAQUS建立。

2.1 结构模型

建模及分析过程中，本报告中模型均采用接头名义尺寸建立。考虑到接箍及管体的轴向对称特性，且螺纹的螺旋升角非常小（小于0.6°），可将接头简化为二维轴对称模型。其中，接箍沿轴向取其一半长度；为消除边界效应，管体不带螺纹的部分长度应大于。

为保证计算精度，网格划分中采用CAX4R和CAX3单元。考虑到螺纹、密封面和台肩部位存在的过盈量以及接触分析的需要，在这些部位需要对模型网格进行细化，从而保证更准确和可靠的分析结果[2，3]。

2.2 材料模型

分析过程中，接头和管体材料均假定为各向同性强化材料，材料模型的数据取自材料的实际拉伸性能曲线，并进行了归一化处理。为保证与实际情况相一致，有限元分析所采用的材料性能曲线应为真实应力-应变曲线，需要根据从试样获得的工程应力-应变曲线采用如下公式进行转化处理[4]：

式中：σtrue-真实应力；-真实应变；σnom-工程应力；εnom-工程应变；E-杨氏模量。据此得到的材料真实应力-应变曲线（见图2）。

其中，材料的屈服强度为758 MPa，杨氏模量为200 GPa，泊松比为 0.3。

2.3 边界条件

考虑到轴对称模型的特性，对接箍中面做轴向位移约束，即：

图2 材料真实应力-应变曲线

2.4 上扣条件

无论是在油田还是在实验室内，油套管接头的上扣都是由液压大钳完成，上扣过程需要扭矩和位置的控制。对特殊螺纹接头尤其如此，并且特殊螺纹接头还需要有特定的台肩拐点扭矩。

有限元计算分析中，采用台肩轴向过盈来控制求解特殊螺纹接头的接触问题，从而获得接头上扣的最终位置状态，采取Interference Fit分析功能可进行接头上扣分析计算[4]。

2.5 网格划分

由于套管接头几何形状近似是轴对称的，因此在ABAQUS中采用轴对称单元对模型进行网格划分。根据接头的受力特点，可知研究的重点是在密封部位和内外螺纹啮合牙上，故在接头的螺纹处、密封面、台肩处网格细化（见图3）。

3 仿真结果分析

3.1 接触压力

特殊螺纹接头的主密封面接触压力计算结果（见图4（a）），最大接触压力出现在沿密封面顶点投影点的1.37 mm处，大小为1 809.7 MPa，同时确定密封宽度为1.54 mm；辅助密封面台肩面接触压力计算结果（见图4（b）），最大接触压力出现在沿台肩面距顶点的5.87 mm处，大小为1 294.1 MPa，同时确定密封宽度为4.58 mm。

3.2 密封积分强度

由式（3）可计算主密封面与辅助密封面的密封积分强度（见表1）。

表1 名义尺寸下，主密封面和台肩辅助密封面的接触应力情况

3.3 等效应力

接头上扣结束状态下的等效应力分布图（见图5），可以发现在上扣后油管接头密封部位出现了应力集中，顶点处尤为明显，其最大等效应力为7；螺牙部位前2牙外螺纹的齿根与内螺纹的齿顶过渡啮合，有粘扣的趋势，但螺牙大部分结构完整，应力分布合理；内螺纹接箍部分中面无断裂趋势，整体应力分布合理。说明油管在上扣后不会发生断裂的危险。

图3 油管螺纹特殊扣网格模型及局部细化

图4 上扣结束后的接触压力分布（名义尺寸、室温）

图5 上扣结束后的等效应力图（名义尺寸、室温）：（a）密封面附近；（b）接头整体

4 结论

（1）通过不同的评价参数，分析可以发现Φ114.3×8.56 mm P110油管接头在最终上扣后，接头主密封面和辅助密封面的接触压力分布合理，密封宽度较长，最后算得的密封积分强度较大，同时接头上扣后的等效应力分布合理没有断裂的趋势，说明油管接头上扣后保证在完整性前提下仍能维持一个较好的密封性能。

（2）采用多角度的评价参数计算，不仅可以观察油管在未发生结构失效的前提下研究密封性，还可以节约实物试验的巨大花费，为油管结构设计提供快速的理论指导。