密封加强型快速连接特殊螺纹关键结构参数优化研究

王儒朋，席晓磊，焦巍，张文星，庞德志，马继超，肖华平

密封加强型快速连接特殊螺纹关键结构参数优化研究

王儒朋1，席晓磊2，焦巍3，张文星3，庞德志4，马继超4，肖华平4

（1.中海油能源发展装备技术有限公司加工制造分公司，天津 300452；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司 深水工程技术中心，广东 深圳 518067；3.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；4.中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院，北京 102249）

影响密封加强型快速连接特殊螺纹性能的主要因素包括密封面结构、扭矩台肩结构以及连接螺纹结构参数，对这些结构进行优化设计可以降低应力集中、保证密封性能、减少塑性变形，从而保障油套管的结构完整性和密封完整性。为了改善密封性能，提高连接强度、抗扭矩能力和承载能力，使其能适应更复杂的工作环境，对主要螺纹结构参数进行了优化设计。通过有限元分析和模拟计算研究了不同参数条件下的连接性能，结果表明，螺纹两端应力大、中间部分应力小，所以螺纹因拉伸应力过大而产生的失效容易发生在螺纹两端。

快速连接；密封加强；有限元分析；优化设计

海洋油气储量庞大，是我国油气资源的重要来源。随着需求的增加，近年开发开采数量也随之增加，而且从最初的浅海井到现在的深海井，油气井向着大斜度井和水平井方向发展，开采难度也越来越大。为了满足不断提高的油气资源开发要求，石油管材和钻采机具的优化改进是满足大难度钻采作业的关键[1-3]。

现有的套管接头螺纹设计理论主要基于套管接头螺纹受轴向拉伸载荷的情况，在使用过程中受到较大的扭矩载荷作用时会引起胀扣、断裂失效、下入井底后使用寿命短等问题[4-5]。随着海洋油气资源的不断开发，对于高抗扭和高抗压性能的套管接头有更大的需求[6-8]。而对于此类工况下的套管，目前仍无相应的设计理论与其高抗扭抗压工况相匹配[9-10]。套管内部空间狭窄，优化设计需要在不改变现有外形尺寸的前提下提高接头螺纹的性能，因此对各种内部结构参数进行优化是提高套管接头螺纹承载强度的主要途径[11-12]。

本文以中海油密封加强型快速连接特殊螺纹套管为研究对象，对其螺纹接头的主要参数及尺寸公差等变量进行模拟和优化。将三维建模运用到有限元仿真软件中，设置复杂的工况和严格的边界条件，对其在复杂载荷下的工作状态进行仿真，计算其应力分布情况变化，在此基础上进行优化和对比，最终求得具有更优工作能力的尺寸参数。

1 特殊螺纹套管有限元三维建模

为准确试验密封加强型快速连接特殊螺纹的参数对结构性能的影响，在公扣与母扣配合后，通过有限元模型进行模拟分析。该螺纹为一个复合螺纹，屈服强度552 MPa，拉抗强度665 MPa，弹性模量＝2.08×105MPa，泊松比＝0.3。按照中海油设计标准该特殊螺纹接头摩擦力系数参数0.08。通过Solidworks软件三维建模生成，其空间结构示意如图1所示，其导向面及承载面如图2所示。

图1 密封加强型快速连接螺纹接头空间结构示意

图2 密封加强型快速连接螺纹导向面及承载面

2 有限元仿真分析

2.1 密封加强型快速连接螺纹仿真结果分析

普通螺纹套管在承受上扣扭矩、拉伸载荷、弯曲载荷或内压载荷等时，其螺纹接头上应力分布十分不均匀，前三圈的螺纹牙会承受较大的Mises应力，特别是在第一圈螺纹牙有效啮合后应力集中尤其严重。而该特殊螺纹套管会缓解该现象的发生，为了使其接头结构参数进一步优化，选定7个可调整参数（如图3所示）为备选参数。经过前期验证，选用了六个关键参数进行分析，优化列表如表1所示。

图3 密封加强型快速连接螺纹7个位置参数

同时为了仿真对工况的优化结果，对扭矩和弯矩进行了同样的仿真运行。通过对挠度的计算和2000 m下套管管柱的自重计算得出重量为80 t，利用ABAQUS模拟仿真施加80 t拉伸载荷，结果显示其螺纹接头的受力情况较好，但是效果分布图不太明显。为了便于更好分析的受力部位情况，在保证不会达到材料的抗拉极限655 MPa条件下，施加更大的拉伸载荷。

表1 密封加强型快速连接螺纹接头六参数单因素对照表

2.2 单因素参数性能优化

针对选取的各种结构参数，首先采用单因素调整进行优化，由于选取参数比较多，本文以导向面下部圆弧半径为例进行说明。原始结构中导向面下部圆弧半径为0.20 mm，为了探明该参数影响，分别选取了0.24 mm、0.28 mm、0.32 mm、0.36 mm进行模拟计算，施加预紧力和拉伸载荷，通过有限元计算得到接头应力。

通过多项式拟合得到的曲线如图4所示，可以看出，随导向面下部圆弧增加，最大Mises应力有先减小后增加的现象。在本文研究范围中，0.32 mm半径可以最有效地减小最大Mises应力，从原来的566.4 MPa减小到554.4 MPa，接头上最大应力值减小了2.12%。

图4 导向面下部圆弧半径对最大应力的影响

第一圈螺纹齿上最大Mises应力分布曲线图如图5所示。分析表明，螺纹上的应力分布虽然在一定范围内，但是并不均匀。经过优化后螺纹第一圈应力分布不均情况得到改善，在此情况下更加均匀的表面受力可以有效完善螺纹的密封性，同时分散其表面应力，以达到延长螺纹使用寿命的目的。

图5 第一圈齿面应力对比雷达图

优化前后第1～10齿上的最大Mises应力情况如图6所示。可以看出，在螺纹两端的应力比较大、中间部分应力相对要小一些，这和实际工况中观察到的两端容易粘扣的现象是匹配的。通过调整导向面下部圆弧半径，几乎所有齿上的最大应力都有降低，能从一定程度上减少粘扣现象的发生。

图6 优化前后螺纹前10齿面应力对比曲线

2.3 预紧力位移条件下参数优化性能

由于密封加强型快速连接特殊螺纹为圆锥管螺纹，其每一圈的螺纹齿直径不一样，但其受力方式与常见圆柱管螺纹类似，如图7所示，密封加强型快速连接螺纹套管接头在上扣扭矩＋预紧位移工况下进行应力分析，且设定预紧位移为0.16 mm，图中显示，前几圈的螺纹齿在啮合时承受的应力明显大于后几圈的应力，两端受力大、中间受力小，这表明特殊螺纹油套管在井下工作时，应力集中总是出现在螺纹的两端接头处。在预紧位移0.16 mm的条件下的螺纹套管接头优化前最大应力为566.4 MPa，而优化后最大应力为553.9 MPa，进行对比可知最优参数下的螺纹在承受位移载荷时同样具有优化效果，最大应力值降低了2.21%，确保了参数优化同样有效的作用于预紧的情况。

对密封加强型快速连接螺纹套管接头最前端进行密封设计，在密封面上取两点，靠近螺纹接头的点设为位置1，另一点则设为位置2，以点为基准分析其一周的接触应力值是否满足密封要求。

如图8、表2所示，在最佳机紧状态下，优化前、后油套管接头密封面接触应力沿着周向变化较稳定，波动不大；优化前，油套管接头密封位置1处接触应力变化范围为152.69～180.325 MPa，密封位置2处接触应力变化范围为126.097～153.363 MPa，波动不大，两处的密封性能均满足密封要求；优化后，油套管接头密封位置1处接触应力变化范围为160.716～196.412 MPa，密封位置2处接触应力变化范围为120.094～160.716 MPa，波动不大，在低于120 MPa接触应力下完全满足密封要求。

图7 预紧力位移0.16 mm原始参数值和最优参数值条件下应力云图

图8 预紧位移0.16 mm优化前后油套管接头密封周向面的应力分布图

表2 优化前后预紧位移0.16 mm时密封接触应力对比（最佳扭矩）

2.4 预紧力和拉力耦合条件下参数优化性能

套管在地层中受轴向拉力作用，随管柱长度增加，在下放过程中拉力逐步增大，在管柱达到最深处即指定位置时，拉力达到最大值。如图9所示，密封加强型快速连接螺纹套管接头在拉伸载荷＋上扣扭矩工况下，施加240 t拉伸载荷得到应力最大值为566.4 MPa，相对于管道自重产生的应力最大值558.4 MPa仅增加了1.38%，且受力分布较均匀，满足预期的效果。因此选用240 t的拉伸载荷进行模拟仿真。

图9 最佳机紧状态下施加不同拉力应力云图

施加240 t载荷时，接头螺纹应力最大值达到556.4 MPa，由图10可见，多次参数优化中，导向面上部圆弧半径0.785 mm时应力最大值556.3 MPa，接头上最大应力值减小了1.78%。

2.5 预紧力、拉力、弯矩耦合条件下参数优化性能

如图11所示，密封加强型快速连接螺纹套管接头在拉伸载荷＋上扣扭矩＋弯矩载荷工况下进行应力分析，在拉力和上扣扭矩不变的情况下，给螺纹接头施加一定的弯矩，得到的应力值大小为566.5 MPa，与原始相比较仅增大了0.18%左右，说明该螺纹接头的抗弯性能较好，且其最大应力值远小于材料的屈服极限，因此设定10%的安全系数来对优化后的应力参数进行对比，如果在参数优化时该应力值超过了设定的安全系数对应应力值，该特殊螺纹接头会失效，此数据则会无效，所以在选取数据时根据该条件进行参数优化分析。

图10 施加指定拉力和扭矩优化前后的应力云图

图11 施加拉力、指定弯矩和上扣扭矩的应力云图

图12是选取密封加强型快速连接螺纹套管在优化列表中同时承受扭矩和拉力条件下优化效果最好的模型，对该模型施加扭矩、拉伸载荷及弯矩，最大应力值为553.7 MPa，最大应力值降低了2.24%。

图12 最佳优化参数下施加拉力、指定弯矩和上扣扭矩的应力云图

如图13、表3所示，在弯曲工况下，优化前后套管接头施加指定的拉伸载荷和最佳上扣扭矩，密封面接触应力沿着周向变化较稳定，波动不大，最大接触应力值都远小于材料最小屈服强度；优化前，油套管接头密封位置1处接触应力变化范围为142.140～170.470 MPa，密封位置2处接触应力变化范围为111.439～147.349 MPa，波动不大，两处密封性能均满足密封要求；优化后，油套管接头密封位置1处接触应力变化范围为148.201～183.563 MPa，密封位置2处接触应力变化范围为120.094～150.316 MPa，波动不大，在低于110 MPa接触应力下完全满足密封要求；优化前的两处密封位置接触应力平均值均低于优化后的值，因此在最佳机紧状态下，优化螺纹导向面上部圆弧半径，油套管密封性能也能得到加强。

3 结论

本文利用有限元软件对密封加强型快速连接特殊螺纹套管进行了模拟计算，分析了特定工况下的螺纹应力分布情况。本文将仿真数据进行汇总与分析，得出以下结论：

（1）随着拉伸载荷的增大、螺纹承载面所受到的应力也随之增加，螺纹两端应力大、中间部分相对较小，所以螺纹因拉伸应力过大而产生的失效容易发生在螺纹两端。

（2）在多次单参数优化中，导向面上部圆弧半径为0.785 mm时应力最大值最小，接头上最大应力值减小了2.24%。

（3）通过计算密封加强型快速连接特殊螺纹套管参数修改前后的性能对比，优化后的套管接头应力降低，各螺纹牙上的应力分布也更平均，因此更能适应苛刻井况。

图13 施加拉力、指定弯矩和上扣扭矩下油套管接头沿着密封面一周的应力分布情况

表3 优化前后施加拉力、指定弯矩和上扣扭矩下油套管密封面接触应力（最佳扭矩）

[1]赵政璋，赵贤正，李景明，等. 国外海洋深水油气勘探发展趋势及启示[J]. 中国石油勘探，2005，10（6）： 71-76.

[2]张杰，刘俊，陈平，等. 海洋大位移井井壁力学稳定性研究[J]. 海洋石油，2005，25（1）：85-88.

[3]郭昊，袁玲. 页岩气钻井关键技术及难点研究[J]. 石油化工应用，2013（6）：12-14.

[4]田中兰，石林，乔磊. 页岩气水平井井筒完整性问题及对策[J]. 天然气工业，2015（9）：70-76.

[5]李超，陈长青，刘文红，等. 套管失效案例及控制技术研究[J]．石油矿场机械，2015 （7）：14-20.

[6]于浩，练章华，林铁军，等．页岩气体积压裂过程中套管失效机理研究[J]. 中国安全生产科学技术，2016（10）：37-43.

[7]高连新，孙坤忠. 旋转固井用高抗扭气密封套管的研制与应用[J]. 钢管，2013（2）：22-26.

[8]杨凯，王斌林，孟凡阔，等. 139.7 mm套管接头特殊螺纹研制[J]. 石油矿场机械，2013（8）：80-84.

[9]阮臣良，王小勇，张瑞，等. 大斜度井旋转尾管下入关键技术[J]. 石油钻探技术，2016（44）：52-57.

[10]夏佑广. HSM-2型特殊螺纹套管接头设计分析[J]. 焊管，2016（4）：22-26.

[11]Reynolds，Harris and Greenip，John. Wedge Thread Tool Joints：Applications and Economics [C]. Dallas，Texas：IADC/SPE Drilling Conference，2002.

[12]吴应喜. 偏梯形套管螺纹接头多轴疲劳寿命研究[D]. 西安：西北工业大学，2007.

Optimization on key Structural Parameters of Sealing Reinforced Quick-Connect Special Thread

WANG Rupeng1，XI Xiaolei2，JIAO Wei3，ZHANG Wenxing3，PANG Dezhi4，MA Jichao4，XIAO Huaping4

( 1.CNOOC Energy Development Equipment Technology Co., Ltd., Machining and Manufacturing Branch, Tianjin 300452, China; 2.Deepwater Engineering Technology Center, Shenzhen Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Shenzhen 518067, China; 3.CNOOC Energy Development Co., Ltd., Engineering Technology Branch, Tianjin 300452, China; 4.School of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China )

The core of the design of the sealing reinforced quick-connect special thread is to optimize the sealing surface, torque shoulder and connection thread parameters, so as to reduce stress concentration, ensure sealing performance, and reduce plastic deformation to ensure the structural integrity of the casing and seal integrity. Through the optimization design of the structure of the sealing reinforced quick-connect casing, it achieves the effects of good sealing and improving connection strength, torque resistance and bearing capacity, which ensures that it adapts to the complex working environment. The results show that the stress at both ends of the thread is large, and the stress in the middle part is relatively small, so the failure caused by excessive tensile stress is likely to occur at both ends of the thread.

quick connection；sealing reinforced；finite element analysis；optimal design

TH131.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.004

1006-0316 (2023) 07-0025-07

2022-9-29

中国海洋石油集团有限公司“三新三化”项目——海上油田特殊螺纹研制及标准化建设研究（JTKY-SXSH-2021-HF-10）

王儒朋（1987－），女，黑龙江兰西人，硕士研究生，高级工程师，主要从事海洋石油专用管材及钻采机具设计研发制造工作，E-mail：wangrp4@cnooc.com.cn。