CLS 特殊螺纹接头气密结构研究及有限元分析

秦双双，王儒朋

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

随着石油工业的发展，尤其是深井、超深井、高压气井、定向井的开发以及高含硫气井的开采，对石油套管的使用性能不断提出了更高的要求。CLS 特殊螺纹套管接头具有高抗扭性能，在恶劣工况下仍有良好的使用效果，在CLS 螺纹套管上开展气密性能研究，可以有效应对海上气田的应用要求。本文在保证原CLS 螺纹套管高抗扭结构上开展气密结构研究，并通过有限元的方式对不同气密结构进行计算分析，最后给出了气密结构选择的方向建议。

1 气密结构设计

影响螺纹接头密封性能的因素较多，密封结构形式是重要因素之一。目前，国内应用的密封结构形式主要有锥面-锥面、球面-锥面、柱面-球面等密封形式，如图1 所示。本文选取锥面-锥面和球面-锥面这两种密封结构形式利用有限元进行分析。

图1 特殊螺纹的主要密封结构形式

2 气密结构有限元计算分析方向密封面应力及接触压力分析

2.1 有限元模型的建立

CLS 接头材料采用L80-3Cr，锥面-锥面接头密封面处的锥度为1：11，球面-锥面接头密封面处的球形半径为73.25mm。据此建立三维模型后采用六面体减缩积分单元对模型整体进行网格划分，有限元模型如图2 所示。

图2 7”CLS 接头及接箍网格划分

2.2 有限元计算

最大Mises 应力。将两种接头的结构形式分别与接箍进行装配，经有限元分析得到如图3 所示的Mises 应力云图。

从图中可以看出，最大应力主要集中在密封面处，锥面-锥面接头最大Mises 应力为553.7MPa，球面-锥面接头最大Mises 应力为556.6MPa，且接头上的Mises 应力值大于接箍。

图3 7”CLS Mises 应力云图

密封面应力及接触压力。在密封面上，沿密封面锥度球面弧度方向取等距20 个节点，沿密封面锥度方向Mises 应力逐渐减小，沿球面弧度方向先保持不变后逐渐减小；沿密封面锥度方向接触压力逐渐减小，沿球面弧度密封面的接触压力呈中间高、两边低的分布规律。

在接头密封面最大Mises 应力处，沿逆时针方向取Mises 应力，Mises 应力和接触压力在环向上分布均匀。

密封面应力及接触压力极值如表1 所示。

表1 密封面应力及接触压力极值

3 结语

本文针对两种密封结构接头的Mises 应力机紧接触压力有限元计算结果，得出如下结论：锥面-锥面接头略小于球面-锥面接头的最大Mises 应力，因此，锥面-锥面接头在使用过程中具有更好的上扣性能；锥面-锥面接头最大接触应力小于球面-锥面接头的最大接触应力，因此，球面-锥面接头具有更好的密封性能；两种密封结构的密封面上，环向Mises 应力分布均匀，满足使用要求；二者密封面的环向接触压力分布较均匀，平均接触压力大于50 MPa，均具有良好的密封性能。建议今后的研究中，可采用实物试验的方式对两种密封结构形式进行验证，并结合工厂加工设备能力及加工难易程度最终选定优化设计方案。