配注器接头与连接套剩余强度有限元分析

王尊策 赵 丹 孙丽丽 曹梦雨 陈 星

（东北石油大学机械科学与工程学院）

配注器作为分层配注的关键设备之一，主要用于向各个不同地层配注合适压力和流量的水。在使用过程中， 由于注水压力和环境因素的影响， 使得配注器零部件外壁极易出现腐蚀缺陷，导致其壁厚减薄，局部应力提高，对配注器的强度、使用寿命及其再利用产生较大的影响［1，2］。 国内外的许多学者曾利用有限元法对腐蚀管道和油套管剩余强度进行了大量研究［3～5］，对实际生产具有重要意义。 近年来，国内对于井下注水的研究多集中于对配注器机械结构的改进和内流特性的研究［6］，而关于在役配注器剩余强度的研究还相对较少。 笔者对腐蚀后的配注器进行定量检测和判断，采用有限元法，结合大庆油田某采油厂注入井实际工况，模拟腐蚀缺陷位置、尺寸等因素对在役配注器接头与连接套剩余强度的影响，从而为油田配注器的重复利用和提高操作安全性提供一定的指导意义。

1 有限元分析

1.1 几何模型的建立

以油田常用的114mm 桥式偏心配注器为研究对象，对油田使用过的配注器进行拆解、清洗，利用逆向建模方法对主要承载且腐蚀严重的配注器连接套腐蚀情况进行定量检测和分析，采用手持式激光扫描仪采集数据，采用DESIGN X 等软件建立几何模型， 获取腐蚀缺陷的形貌和几何尺寸。 然后根据腐蚀缺陷的形貌特征，将腐蚀缺陷规则化为球形、椭球形、矩形。 通过对连接套腐蚀情况进行统计得出， 腐蚀缺陷中球形蚀坑缺陷数量最多，约占统计总数的86%，且连接套在出水口一侧的腐蚀情况严重于另一侧，依据实际尺寸建立几何模型， 配注器接头与连接套间的螺纹尺寸为M105mm×2mm， 将模型简化半剖如图1 所示。

图1 配注器接头与连接套几何模型

1.2 网格的划分

采用ABAQUS/Explicit 求解器， 利用分块划分的方法，采用六面体单元划分网格，并对螺纹齿和蚀坑缺陷处的网格进行加密处理，进行网格无关性分析，全局种子设为0.8，划分网格后的有限元模型如图2 所示。

图2 划分网格的有限元模型

1.3 力学模型的建立

油田上常用的配注器接头与连接套材料均为40Cr， 定义材料属性时需要对材料的弹性、塑性参数分别进行定义。 40Cr 材料力学性能为：弹性模量206GPa， 泊松比0.26， 屈服强度极限785MPa，抗拉强度极限810MPa。

1.4 边界条件及相互作用设置

约束配注器接头与连接套对称面的垂直对称面方向自由度、 接头上端面的轴向自由度，同时在连接套底端面和接头与连接套内壁面进行载荷施加。 接头与连接套及螺纹间的接触类型为面-面接触。 接触面法向行为设置为硬接触，允许接触后分离；切向行为定义为库伦摩擦，摩擦系数设为0.08。

1.5 载荷的施加

配注器在正常工作情况下，承受管柱施加的轴向载荷、 配注器内液体施加的载荷及安装力矩。 针对B2-41-545 号注入井的生产完井管柱部分进行管柱载荷分析， 该生产完井管柱为直井，底部采用丝堵加防砂筛管结构， 共4 个注入层段，管柱结构如图3 所示。 以注入井第1 层配注器（1 076m）为例，计算得到轴向拉载荷为15kN，内压为16～25MPa。 笔者在有限元模拟时采用在台间处加过盈的方式模拟上扣效果。 根据螺纹扣牙应力为80%屈服极限时为装配扭矩，通过多次试算后获得合适的过盈量为0.13。

1.6 失效准则

图3 B2-41-545 号注入井生产完井管柱结构示意图

式中 σ1、σ2、σ3——第1、2、3 主应力；

σi——Von Mises 等效应力。

2 有限元计算结果分析

2.1 腐蚀缺陷对接头连接套螺纹齿面接触应力的影响

基于所建立的数值分析模型，采用有限元软件分析了连接套外壁蚀坑直径为10mm， 深度分别为1.0、1.5、2.0mm 的接头与连接套在拉载荷15kN、内压16MPa 作用下的螺纹齿面接触应力，结果如图4 所示。

图4 直径10mm、不同蚀坑深度下的螺纹齿面接触应力

由图4 可知，在工况载荷作用下，接头与连接套间螺纹第1 个齿产生的接触应力最大，由第1 个齿到第19 个齿， 螺纹齿面接触应力逐渐减小，连接套外壁蚀坑缺陷深度对螺纹齿接触应力影响很小。

2.2 腐蚀缺陷对接头与连接套等效应力的影响

深度3.0mm、 直径10mm 蚀坑在不同位置处的应力分布云图如图5 所示。 可以看出，接头的总应力水平低于连接套，连接套第1 齿齿根和蚀坑缺陷处出现应力集中现象，因此在第1 齿齿根位置处容易开裂，为危险截面，蚀坑缺陷处的高应力区沿着蚀坑径向分布，易形成开裂口后发生径向断裂。 随着蚀坑与连接套端面间距离越来越远，蚀坑处的等效应力越来越小。

图5 深度3.0mm、直径10mm 蚀坑在不同位置处的应力分布云图

图6 为蚀坑在连接套不同位置处的最大等效应力模拟结果。 可以看出，蚀坑位置位于距端面22mm 以上时对最大等效应力影响很小，位于距端面17mm 时，最大等效应力急剧上升且危险截面发生屈服。 蚀坑所在连接套的位置对最大等效应力的影响较大，可依据模拟结果有针对性地对影响较大的连接套外壁缺陷位置进行防腐处理，进而延长配注器接头与连接套的使用寿命。

图7 为蚀坑深度对等效应力的影响曲线。 孔深度小于1.0mm 时， 直径对等效应力的影响较小。 直径5mm 时， 深度2.5mm 危险截面发生屈服；直径10mm 时，深2.0mm 危险截面发生屈服。

图6 深度3.0mm、直径10mm 蚀坑在不同位置处的最大等效应力

图8 为工作压力与等效应力的关系曲线，可以看出工作压力对等效应力的影响较大，近似成正比关系，当缺陷尺寸是直径10mm、深度1.5mm时，压力大于25MPa 危险截面发生屈服。

图7 蚀坑深度对等效应力的影响曲线

图8 蚀坑直径10mm、深度不同时工作压力与等效应力的关系曲线

3 结论

3.1 配注器连接套外壁的球形蚀坑缺陷对螺纹齿连接强度影响较小，主要影响连接套内离端面最近的一扣啮合螺纹所在的截面。 且所处位置对等效应力的影响很大，距连接套端面17mm 处对危险截面影响最大，针对模拟结果可采取相应的防腐措施。

3.2 当配注器连接套外壁的球形蚀坑缺陷尺寸分别是直径5mm、 深度2.5mm 和直径10mm、深度2.0mm 时，危险截面发生屈服；当直径10mm、深度1.5mm 时， 压力大于25MPa 危险截面发生屈服。