特殊螺纹油管接头密封性能及密封判据分析

韩 鑫，孟 琪

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

随着深井超深井、高温高压气井、含腐蚀介质气井、热采井等复杂恶劣工况下油气开发日益增多，油管特殊螺纹接头已得到广泛应用。目前，特殊螺纹接头的种类繁多，根据其密封结构可分为锥面-锥面、锥面-球面、球面-球面，其中，锥面-锥面密封结构的特殊螺纹接头是较为常见的。国内外学者通过不同的方法研究，高连新等通过理论计算与有限元相结合研究特殊螺纹接头的受力和变形，得到变螺距的方法能够减小螺纹端应力集中，进而提高特殊螺纹接头的密封性能[1]；曹银萍等通过有限元分析特殊螺纹接头在内压与轴向力复合载荷作用下的应力分布，提出密封面具有足够的接触压力，就不会影响其密封性能[2]；窦益华等通过三维有限元法分析交变载荷作用下特殊螺纹接头的密封性能，研究表明交变载荷作用下，特殊螺纹接头密封性能会受到较大影响[3-4]。现阶段对于特殊螺纹接头的研究，主要通有限元以及实验验证的方法研究特殊螺纹接头连接强度及密封特性，对于密封判据的研究相对较少。因此，本文通过建立某锥面-锥面特殊螺纹接头的三维有限元模型，通过ABAQUS有限元软件研究其在复杂载荷作用下的密封面接触压力的分布规律，依据有限元计算结果，得出准确的平均接触压力值，然后采用密封临界指数判断密封可靠性，得出平均接触压力与拟密封压力间的关系，以此判断特殊螺纹接头密封。

1 特殊螺纹接头密封机理

特殊螺纹接头主要是通过密封面接触来控制内部流体的压力。依据流体力学相关理论，内部流体压力的大小和局部阻力息息相关，而局部阻力主要取决于特殊螺纹接头密封面泄露直径的长度与间隙面积，当间隙截面积较小，接触压力就越大。

2 特殊螺纹接头有限元建模及上扣模拟

以Φ88.9mm×6.45mm P110某特殊螺纹接头为研究对象，运用ABAQUS软件进行分析。运用参照特殊螺纹接头螺纹参数，建立其三维模型，运用Hypermesh软件进行网格划分，采用C3D8R六面体缩减积分单元，由于密封面为本文主要研究对象，故对密封面以及台肩进行网格细化处理，保证收敛速度的同时提高计算精度。网格划分如图1，为了分析密封面上接触压力的分布规律，需建立密封面-台肩面接触对，采用点对面的离散方式，将滑移属性设置为有限滑移，将接箍的端面设置为固支约束，同时在公扣端面的中心创建参考点，并且将此参考点与公扣端面约束设置为耦合，以便载荷的施加。

图1 特殊螺纹接头网格划分示意图

首先需研究在最大上扣扭矩作用下特殊螺纹接头整体应力分布情况，通过有限元计算，可得特殊螺纹接头受力（如图2所示），最大Mises出现在台肩处，值为763.3MPa，在台肩以及螺纹末端出现应力集中，提取螺纹端的等效应力，研究螺纹端结构完整性，从螺纹始端开始对螺纹牙进行编号1-12，在最大上扣扭矩作用下螺纹牙的Mises等效应力如图3，Miss应力均未超过材料的屈服强度，螺纹端并未发生塑性变形，此时模型结构完整。

图2 Mises应力分布云图

3 特殊螺纹接头密封性能分析

为了进一步分析特殊螺纹接头密封性能，需研究特殊螺纹接头在不同工况条件下的密封特性，取三种不同的工况条件，分别是特殊螺纹接头在最大上扣扭矩作用下，施加800kN拉力；施加80MPa内压以及上扣扭矩、拉力以及内压载荷复合作用下的密封特性。在特殊螺纹接头密封面-台肩面取12个节点，在不同载荷作用下，特殊螺纹接头接触压力变化规律如图4。沿密封面路径方向，接触压力减小，在台肩面处接触压力变化较小，主要起辅助密封的作用。仅在上扣扭矩作用时，平均接触压力为500MPa，密封面接触长度为0.75mm；加入拉力作用后，平均接触压力为300.3MPa，密封面接触长度为0.6mm；加入内压作用后，平均接触压力为333.3MPa，密封面接触长度为0.67mm；在三种载荷符合作用时，平均接触压力为366.7MPa，密封面接触长度为1.11mm。在密封面上接触压力变化幅度较大的点发生在节点2处，沿节点2所在的面，取其圆周环向路径，研究特殊螺纹接头密封面在此处接触压力变化规律。

图3 螺纹端Mises应力曲线

图4 密封面-台肩面接触压力曲线

由图5可知，在拉力作用下，特殊螺纹接头接触压力变化不大，拉力对特殊螺纹接头密封性能影响较小；再加入内压之后，接触压力变化较大且成递增趋势，内压在一定范围内有助于接头密封。

4 特殊螺纹接头密封判据研究

对于锥面-锥面密封结构的特殊螺纹接头，是基于密封接触能机理对其进行评价。密封接触能理论认为，特殊螺纹接头的密封性能是通过密封接触强度来表示，密封接触强度定义为密封接触应力在有效密封长度上的线积分。

其中：fs为密封接触强度；lel为有效密封接触长度；Pc为接触应力。MURTAGIAN通过研究密封面接触应力与密封性能[5]，将密封指数定义为：

其中：L为密封接触长度；n为相关性指数，当使用密封脂时，n=1.2，当未使用密封脂时，n=1.4。Xie通过有限元分析对金属密封进行进一步研究，当极限泄露速度为0.025cm3/15min时，提出高温高压井临界密封指数为：

其中：Pa为大气压力；PP为拟密封气体压力。

要使得特殊螺纹接头不发生泄露，必须满足W≥Wac。分别取密封气体压力为 50MPa，60MPa，70MPa，80Mpa，90MPa，100MPa，计算出对应的临界密封指数，如表1。

表1 临界密封指数

在此选取气密封压力为 50MPa，70MPa，100MPa做平均接触压力与密封接触长度关系图，如图6。当接触长度较大时，需要的接触压力较小，要使得特殊螺纹接头不发生泄漏，平均接触压力与密封接触长度组合的点应位于曲线上方，因此气密封压力为50MPa，进而得出密封面平均接触压力为气密封压力的5.5～6倍，尽量增大密封面接触长度，可以以此来判断特殊螺纹接头密封完整性。

图5 节点2处环向路径接触压力曲线

图6 接触压力-接触长度关系图

5 结论

特殊螺纹接头在上扣后，应力分布比较合理，靠近螺纹端的密封面上接触应力较大，主要起分担载荷的作用。在拉伸载荷作用下，特殊螺纹接头接触压力变化不大，接触长度变短，使得特殊螺纹接头密封性能降低；在压力作用下，特殊螺纹接头接触压力变大，接触长度变长，内压在一定范围内有助于特殊螺纹接头密封。因此，为了保证特殊螺纹接头密封性，需要合理控制上扣扭矩，同时避免环空带压，确保特殊螺纹接头结构参数合理性，从而提高特殊螺纹密封性能。依据金属密封接触能理论，当特殊螺纹接头密封面平均接触压力为气密封压力的5.5倍，具有较长的密封长度，此时，特殊螺纹接头具备较好密封性，可以以此来判断特殊螺纹接头密封性能。