特殊油管扣螺纹参数对接头连接强度影响分析

秦彦斌，张佳浩，于 洋

（西安石油大学机械工程学院，西安 710065）

0 引言

随着石油天然气勘探开发的不断深入，以及井下工作环境的日益复杂，传统的API标准油管接头不再适用于各种复杂的井下工况[1]，因此国内外各大厂商根据不同使用工况开发出了各种特殊油管扣，其螺纹牙均采用改进的API偏梯形螺纹。国内外学者对不同结构的特殊油管扣在使用过程中的应力等进行了大量研究。高连新等[2]建立了特殊套管扣的理论计算模型，得到了每圈螺纹牙上的应力分布特点，基于该应力分布特点，对内螺纹两端2～4牙螺纹螺距进行了优化。许志倩等[2]建立了特殊油管扣螺纹牙在各失效形式下的临界载荷模型，得到了螺纹牙承载分布的求解公式。胡志力等[3]建立了特殊油管扣二维有限元模型，研究了接头在不同参数下的连接强度，并对其设计参数进行了优化。刘源等[4]利用所建立的特殊螺纹套管扣二维有限元模型，研究了接头的连接强度在不同设计参数下的变化规律。喻开安等[5]基于因数轮换思想，使用有限元仿真的方法研究了台肩角度和过盈量对接头连接强度的影响。晁利宁等[6]建立了不同台肩角度的特殊油管扣有限元模型，研究了不同载荷条件下接头台肩角度的变化对其密封性能的影响。

综上所述，特殊油管扣的螺纹牙处在复杂载荷条件下易发生连接强度失效，并有可能对接头密封面产生影响，导致接头处密封失效。根据井下工况，对连接性能较好的偏梯形螺纹进行参数优化，以适应更加恶劣的井下环境显得尤为重要。因此，本文考虑螺旋升角，通过对接头在使用过程中所承受的载荷进行模拟加载，研究特殊油管扣螺纹部分的连接性能在不同导向面和承载面角度下的变化规律。

1 特殊油管扣有限元三维建模

以88.9 mm×6.45 mm P110型锥面—锥面特殊油管扣为研究对象，考虑为消除管端效应，根据圣维南原理，建模时取管体长度约为螺纹牙长度的3倍[7]。为了保证计算结果的精确度，将内外螺纹牙处的网格进行细化，经统计，外螺纹网格数量为893个，内螺纹网格数量为1 203个。特殊扣有限元模型的网格划分情况如图1所示。特殊油管扣在进行有限元分析之前，需建立3个接触对，分别是螺纹牙导向面处的接触对、螺纹牙承载面处的接触对、密封面—台肩的接触对。依据接触对的设置原则，将外螺纹接头的螺纹导向面、螺纹承载面及密封面—台肩设置为从面，由于上扣时外螺纹接头相对于内螺纹接头会有比较大的转动量，而有限滑移允许接触面之间出现任意大小的相对滑动，所以将接触对的滑移属性设置为有限滑移。接箍端面的约束为固定约束；轴向外载荷通过建立连续分布节点耦合来施加[8－10]。

图1 特殊油管扣网格划分

特殊油管扣的具体参数如表1所示，其材料视为均匀的各项同性体，材料参数如表2所示[11]。

表1 特殊油管扣设计参数

表2 特殊油管扣材料属性

根据所调研的文献及现场使用情况，选择特殊油管扣螺纹承载面角度优化范围为－9°～3°，选择特殊油管扣螺纹牙导向面角度的优化范围为5°～35°[12]。

2 有限元结果分析

2.1 承载面角度优化研究

经有限元分析，得到如图2所示的在上扣扭矩和轴向拉伸载荷作用下，特殊扣螺纹部分螺纹Mises等效应力分布云图。由图可知，特殊扣螺纹牙处的等效应力随螺纹牙承载面角度的增大先减小后增大，当承载面角度为－4°、－3°和3°时，螺纹处的等效应力较小，且环向应力分布较为对称，无明显的应力集中现象，0°承载面角度的接头螺纹等效应力较大，且大部分区域已超过材料屈服极限，接头性能变差。

图2 上扣＋拉伸载荷作用下不同导向面接头螺纹牙处等效应力云图

从靠近台肩的螺纹牙开始，对接头螺纹牙依次编号，得到不同承载面角度特殊油管扣螺纹牙处等效应力曲线如图3所示。由图可知，不同承载面接头螺纹牙处的等效应力曲线在上扣扭矩和轴向拉伸载荷的复合作用下，均为两端高中间低的形状，且部分承载面角度螺纹段的等效应力已超过材料屈服极限；当承载面角度为－9°和－6°时，中间几牙的螺纹牙与两端螺纹牙的等效应力的差距明显更大，特殊扣整个螺纹牙部分的等效应力分布不均匀，导致接头连接强度减弱。

图3 不同承载面角度特殊油管扣螺纹牙处等效应力曲线

3.3.2 导向面角度优化研究

经有限元分析，得到如图4所示的在上扣扭矩和轴向压缩载荷复合作用下，不同导向面角度的特殊油管扣螺纹牙处等效应力云图。由图可知，随着螺纹牙的导向面角度的增大，接头整个螺纹牙部分的等效应力逐渐减小，且当导向面角度大于20°时，接头螺纹处的等效应力在减小的同时，应力分布不均度地增大，导致台肩所负担的载荷增大，且最大等效应力从特殊油管扣密封面处转移至接头台肩处，其中导向面角度超过25°后，台肩受力幅度明显增加，接头连接强度降低。

图4 上扣扭矩＋轴向压缩载荷作用下不同导向面螺纹牙处等效应力云图

提取各圈螺纹牙处的Mises等效应力，得到如图5所示的在上扣扭矩和轴向压缩载荷作用下，不同导向面角度的特殊油管扣螺纹牙处的等效应力变化曲线。由图可知，不同导向面角度的接头螺纹牙处等效应力曲线在上扣扭矩和轴向压缩载荷的复合载荷作用下，均为两端高中间低的形状，且导向面角度为5°时，差距更加明显；当螺纹牙的导向面角度处于10°～25°时，螺纹处等效应力沿螺纹牙分布较为均匀，且特殊扣螺纹段的平均等效应力小于材料屈服极限，接头连接性能较好。

图5 不同导向面角度的特殊油管扣螺纹牙处等效应力曲线

3 结果分析

通过研究锥面—锥面特殊油管扣在上扣扭矩和轴向拉伸/压缩载荷复合载荷作用下，不同承载面和导向面角度对接头螺纹处等效应力的影响，得出结论如下。

（1）特殊扣螺纹牙部分的等效应力随螺纹牙承载面角度的增大，先减小后增大，对于－4°、－3°和3°的承载面角度，螺纹牙处的等效应力较小，而0°承载面的油管接头，其螺纹部分的平均等效应力较大，且大部分区域已超过特殊扣材料的屈服极限。当承载面角度为－9°和－6°时，中间几牙的螺纹牙与两端螺纹牙的等效应力的差距明显更大，螺纹连接失效概率增大，导致连接强度减弱。

（2）螺纹处的等效应力随螺纹导向面角度的增大而减小，当导向面角度大于20°时，接头螺纹处应力分布不均度地增大，导致台肩所负担的载荷增大，导向面角度超过25°后，台肩受力幅度明显增加，特殊油管扣的连接强度及台肩结构的辅助密封性能降低。当导向面角度为5°时，中间螺纹牙与两端差距较为明显。而对于10°～25°导向面角度，螺纹处等效应力沿螺纹牙分布较为均匀，且均小于特殊扣的材料屈服极限，接头连接性能较好。

4 结束语

特殊螺纹油管扣的研究方法主要有解析法、有限元分析法和实验法，且3种研究方法各有利弊。本文建立了考虑螺旋升角的特殊油管扣的有限元模型，研究了不同承载面和导向面对接头螺纹的Mises等效应力影响。通过对有限元结果的分析表明，复合载荷作用时，整个螺纹牙部分的等效应力会随承载面角度的增大而先减小后增大，随螺纹牙导向面角度的增大而减小，其中当承载面角度为－4°、－3°和3°时，导向面处于10°～25°时，特殊扣螺纹段连接性能较好。因此，在特殊螺纹油管扣的设计时，建议螺纹牙的承载面角度的设计在－6°～－3°；导向面角度建议设计在10°～30°。研究结果为特殊油管扣的设计与开发提供了参考。