复合载荷作用下特殊螺纹接头密封性能的有限元分析

张 乐，李东风，王 蕊，张益铭，余 志

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

在油气开采过程中，油套管不仅作为开采油气的通道，还起着保护井壁、封隔不同压力层等作用。在使用过程中，通过螺纹连接在一起的油套管承受着拉伸、弯曲和扭转等复合载荷，其螺纹连接部位是油套管的薄弱环节，螺纹质量直接影响到油气井的寿命[1]。近年来，随着我国超深井、高压油气井和热采井的开采不断向纵深发展，特殊螺纹接头已得到广泛使用。目前，特殊螺纹通常采用金属对金属密封结构来实现其优良的密封性能，且在设计开发特殊螺纹接头时，有限元分析已成为一种重要的分析方法。通过有限元分析软件，可以对特殊螺纹接头密封性能进行力学性能分析，得到初步的设计理论值，结合实物性能试验结果，最终得到新型结构的特殊螺纹接头。

本文利用ABAQUS有限元分析软件，对特殊螺纹接头进行有限元建模和性能分析，通过施加不同类型的载荷，研究分析单一拉伸、压缩、内压及复合载荷对螺纹接头密封性能的影响，并结合实物试验结果验证有限元分析结果。

1 有限元分析

在进行特殊螺纹密封性能评价时，采用的主要参数包括密封面的接触压力、密封面的接触长度和等效应力。金属-金属密封结构，在密封面光滑的情况下，防止流体泄漏的条件为密封面上的接触压力大于内部流体的压力。根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于泄漏路径的长度和间隙的截面积。因此，为保证特殊螺纹接头金属-金属密封结构的密封性，应满足的条件为：接触压力尽可能大，使泄漏路径面积较小；接触长度尽可能长；使泄漏路径长度较长；等效应力应小于材料的强度极限，保证结构的完整性[2-3]。

1.1 建立有限元模型

以规格为Φ177.80 mm×10.36 mm P110的特殊螺纹接头为例，其特殊螺纹结构的主要特点为：螺纹丝扣导向面为10°，螺纹丝扣承载面为-3°，扭矩台肩面角度为-15°，外螺纹齿高1.575 mm，内螺纹齿高1.775 mm，螺距5.08 mm，锥度为1:16，密封结构为锥面-锥面金属过盈密封。因接头螺纹升角较小，忽略对计算结果的影响，采用二维轴对称模型对接头进行有限元建模。因接箍沿中间面对称，将接头简化为轴对称结构，且为了消除边界效应，管体长度为螺纹全长的3倍[4]。特殊螺纹接头有限元模型及网格划分如图1所示。网格划分采用轴对称四节点单元，并在螺纹、密封面及台肩处进行网格细化，增加分析结果的准确性。

图1 特殊螺纹接头有限元模型及网格划分示意图

1.2 模型边界及载荷相关参数设置

根据接箍的对称性，在接箍对称面各节点上施加轴向位移约束。拉伸及压缩载荷施加在管体端面，内压载荷施加在管体及接箍内侧表面。模型选用库伦摩擦模型来模拟螺纹牙之间、密封面之间的接触摩擦，摩擦系数取0.02[5]，材料弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度选用实测值887 MPa，抗拉强度选用实测值972 MPa。

2 有限元结果及分析

在实际工作环境下，油套管的特殊螺纹接头会同时受到几种载荷的共同作用，如拉伸、压缩、内压等。为了研究不同载荷对接头密封性能的影响，通过对模型加载单一类型和复合类型的载荷，进行有限元分析。

2.1 不同拉伸载荷条件

通过有限元模拟特殊螺纹接头上扣后，对管体端面分别施加0 kN、1 000 kN、2 000 kN、3 000 kN和4 000 kN的拉伸载荷，进行仿真分析。图2为不同拉伸载荷条件下特殊螺纹接头的Von Mises等效应力分布，接头台肩及密封面的接触压力分布如图3所示，计算数据结果见表1。由图2和图3可以得出如下结论：1)随着拉伸载荷的增加，管体的Von Mises等效应力最大值由密封面转移到螺纹接触面，且趋于强度极限，部分螺纹出现塑性变形；2)拉伸载荷的增加，导致接头密封面的接触压力减小，接触长度较短，从而导致密封性能降低；3)随着拉伸载荷的增加，台肩接触应力减小，且台肩面分离。总之，随着拉伸载荷的增加，特殊螺纹接头的密封性能下降，增加了流体泄漏的可能性，且随着载荷的增大，易产生粘扣、断裂等风险。

图2 不同拉伸载荷作用下Von Mises等效应力分布图

图3 不同拉伸载荷作用下台肩及密封面接触应力分布曲线

2.2 不同压缩载荷条件

通过有限元模拟特殊螺纹接头上扣后，对管体端面分别施加0 kN、500 kN、1 000 kN、1 500 kN和2 000 kN的压缩载荷进行分析。图4为不同压缩载荷条件下特殊螺纹接头的Von Mises等效应力分布，接头台肩及密封面的接触压力分布如图5所示，计算数据结果见表2。由图4、图5及表2可以得出以下结论：1)随着压缩载荷的增加，管体的Von Mises等效应力增加；2)随着压缩载荷的增加，接头密封面的接触压力增大，接触长度不变；3)随着压缩载荷的增加，台肩面的接触长度增加。

表1 不同拉伸载荷作用下的计算数据

图4 不同压缩载荷作用下Von Mises等效应力分布图

图5 不同压缩载荷作用下台肩及密封面接触应力分布曲线

2.3 不同内压载荷条件

特殊螺纹接头上扣后，对管体分别施加0 MPa、25 MPa、50 MPa、75 MPa和100 MPa的拉伸载荷。图6为不同拉伸载荷条件下特殊螺纹接头的Von Mises等效应力分布，接头台肩及密封面的接触压力分布如图7所示，计算数据结果见表3。由图6、图7及表3可以得出以下结论：1)随着内压的增加，管体的Von Mises等效应力随之增加；2)随着内压的增加，接头密封面的接触压力增大，接触长度增加，从而提升螺纹接头的密封性能；3)随着内压的增加，台肩面的接触应力变化较小，接触长度减少。

表2 同压缩载荷作用下的计算数据

图6 不同内压载荷作用下Von Mises等效应力分布图

图7 不同内压载荷作用下台肩及密封面接触应力分布曲线

表3 不同压缩载荷作用下的计算数据

2.4 复合载荷条件

特殊螺纹接头上扣后，对管体按照表4工况施加载荷。接头台肩及密封面的接触压力分布如图8所示，图9为复合载荷条件下特殊螺纹接头的Von Mises等效应力分布，计算数据结果见表5。由图8、图9及表5可以得出以下结论：1)工况1和工况2：拉伸载荷最大时，密封面的等效应力及密封面接触长度最小，内外螺纹的台肩面分离，此时接头的密封性能最差，容易发生泄漏失效；2)工况2～工况4：随着拉伸载荷的降低及内压的增加，接头密封面的接触压力及密封面的接触长度增加，密封性能随之提高；3)工况6～工况8：随着内压的降低，压缩载荷的增加，接头密封面的接触压力及密封面的接触长度变化较小，对密封性能影响也较小；4)工况9：内压载荷最大时，密封面的等效应力及密封面的接触长度、台肩面的接触应力及台肩面的接触长度均处于较高状态，此时密封性能较好，但压缩载荷较大，会导致管体失稳，进而会导致接头失效。

图8 不同工况作用下台肩及密封面接触应力分布曲线

表4 复合载荷加载条件

图9 不同工况作用下Von Mises等效应力分布图

表5 不同工况作用下的计算数据

3 实物验证试验

用专用数控机床加工规格为Φ177.80 mm×10.36 mm P110的套管，其特殊螺纹接头采用本文中所列方式。对加工好的套管进行上/卸扣试验后，再进行气密封验证试验。其中，上/卸扣试验在扭矩试验系统上完成，试样垂直于地面，备钳夹持接箍，动力大钳带动管体，按标准要求进行上/卸扣试验，试验过程中未发生粘扣或其它异常现象。

实物气密封验证试验在复合加载试验系统上进行，通过气泡检漏法进行检漏。气密封验证试验加载条件见表6，在复合加载试验系统上的特殊螺纹接头实物试样形貌如图10所示。按照表6中的加载点进行试验，试验过程中实物试样未发生泄漏。

表6 实物验证试验加载条件

图10 特殊螺纹接头密封性能试验实物试样形貌

综上所述，该特殊螺纹接头上扣后接头密封面未出现黏结现象，同时气密封能力达到了API RP 5C5 标准的要求，最大试验压力达到100 MPa。因此可以结合影响螺纹接头密封性能的因素，调整螺纹接头的各项参数，利用以上有限元分析方法，得到同材质螺纹接头的理论参数，保证油套管的实物性能满足要求。

4 综合分析

利用有限元分析软件，通过对特殊螺纹接头进行单一载荷及复合载荷加载进行仿真模拟研究，验证特殊螺纹接头的密封性能，并结合实物试验进行对比。

由分析结果可知，随着拉伸载荷的增加，接头密封面的接触压力及接触长度、台肩面的接触应力及接触长度减小，部分螺纹出现塑性变形，特殊螺纹接头的密封性能下降，增大了流体泄漏的可能性，且易产生粘扣、断裂等风险。随着压缩载荷的增加，管体的等效应力增加，接头密封面的接触压力增加，密封面的接触长度未发生变化。随着内压的增加，管体的等效应力随之增加，接头密封面的接触压力及接触长度增大，提升了螺纹接头的密封性能；但内压过大会导致管体因达到屈服极限而发生失效。

复杂载荷作用时，在工况1和工况2时，其拉伸载荷为最大值，密封面的等效应力及密封面接触长度为最小值，内外螺纹的台肩面发生了分离，此时接头的密封性能为最差值，即容易发生泄漏失效。在工况2～工况4时，随着拉伸载荷的降低及内压的增加，接头密封面的接触压力及密封面的接触长度增加，密封性能随之提高。在工况6～工况8时，随着内压的降低、压缩载荷的增加，接头密封面的接触压力及密封面的接触长度发生的变化较小，密封性能也未出现较大变化。在工况9时，内压载荷是最大值时，密封面的等效应力及密封面的接触长度、台肩面的接触应力及台肩面的接触长度均处于较高状态，此时密封性能较好，但压缩载荷过大，会导致管体失稳，进而导致接头发生失效。

通过实物验证试验，证明采用的特殊螺纹接头在上扣后接头密封面未出现黏结现象，同时气密封能力达到了API RP 5C5 标准的要求，最大试验压力达到100 MPa。

综上所述，不同种类载荷对螺纹接头密封性能影响不同，载荷过大会加重螺纹粘扣现象，使密封接触面间的接触压力及接触长度产生变化，从而影响螺纹接头的密封性能。通过有限元分析方法，结合影响螺纹接头密封性能的因素，调整螺纹接头的各项参数，可以得到同材质螺纹接头的理论参数，保证油套管的实物性能满足要求。

5 结 论

1)不同种类载荷会使特殊螺纹接头密封接触面间的接触压力及接触长度产生不同变化，从而影响螺纹接头的密封性能。

2)油套管在实际使用过程中，应根据不同工况进行选择。

3)通过有限元分析方法，调整螺纹接头的各项参数，可以得到同材质螺纹接头的理论参数，保证油套管的实物性能满足要求。