特殊螺纹接头密封性能数值仿真分析

董国艳,孙建安,高 展

(1.中石化西北油田分公司,新疆 乌鲁木齐 830011;2.宝山钢铁股份有限公司,上海 201999)

随着我国油气田勘探开采工程技术的不断发展,以及复杂井况环境的不断出现,油田对石油管接头的密封性能提出更高的需求,而传统的API螺纹接头由于自身结构缺陷无法满足。特殊螺纹接头由于具有更高的连接强度和更好的密封性能,满足管柱在复杂井况下的拉伸压缩、内压外挤、弯曲、高温和腐蚀等苛刻载荷条件,因此在油气开采中的应用越来越广泛[1-2]。特殊螺纹接头主要由3部分构成:齿形、密封结构和拧接控制台肩[3],其中密封结构起到主密封作用,台肩结构在某些条件下起到次密封作用[4-6]。密封性能受到各自结构尺寸参数的影响,这些参数之间互相作用影响,并且存在耦合关系。

有限元数值分析方法是一种高效率的分析工具,在石油管领域得到广泛应用[7-11]。借助仿真手段可以完成螺纹接头在不同载荷工况下的性能数值分析,完成试验参数验证和优化设计[12]。鲁碧为等[13]通过建立全尺寸模型研究了上扣和拉伸条件下螺纹过盈量对特殊螺纹接头性能的影响,发现小过盈量影响不大,并且随着过盈量进一步增加密封面接触压力下降。

在实际应用中,由于螺纹部分接触状态复杂且网格较多,导致计算耗时过多且不易收敛,往往会影响对接头密封面数据的分析。为此,本文以φ88.90 mm×6.45 mm规格某扣型为例,通过建立简化模型,消除螺纹配合的影响,提高分析效率,快速高效地利用有限元仿真软件研究了密封面过盈量、材料和温度在上扣和加载条件下对密封面性能的影响。

1 模型建立

根据给定的特殊螺纹接头几何尺寸建立半尺寸有限元离散模型(划分网格),见图1。

图1 特殊螺纹接头的有限元模型示意图Fig.1 Schematic diagram of FE model for premium connections

在特殊螺纹接头实际上扣中,通过螺纹啮合、旋入实现公母接头密封面及台肩面的接触和抵靠,形成密封面和台肩面之间的压缩载荷,该载荷提供了接头密封性能基础。本文为了更清晰地量化过盈量、材料、温度等不同因素影响,在设置过程中省略了螺纹结构,通过人为管端施加压缩载荷替代螺纹啮合、旋入的过程,模拟实际工况中螺纹旋入提供密封部位压缩载荷。采用这种方式可以实现连续的压缩载荷变化,更精确地量化上扣过程中密封面的变化状态。

有限元分析中材料应力—应变采用实际拉伸试验中得到的工程应力应变,并换算为真实应力应变。有限元计算的载荷边界条件主要包括对外螺纹模型施加轴向位移,内螺纹模型上端轴向位移约束,另外在外螺纹内螺纹密封面接触位置设置接触对。

模型中通过对外螺纹管端施加位移模拟特殊螺纹接头上扣和承载状态,通过不同的位移量大小对应不同的载荷施加情况。分析结束提取管端约束反力得到载荷施加数据,提取密封面接触压力,获得不同状态的密封面接触压力积分值[14]。

在不同密封过盈分析中,以表1所示的密封面过盈量设计为例,从每个密封面过盈量的设计区间选取一个优化设计的过盈量参数值,计算同一结构不同公差的密封面接触压力积分值。建模过程针对不同配合尺寸分别建立了不同的模型用于对比分析。

表1 密封面公差过盈量设计区间Table 1 Design interval for tolerance of sealing interference

在不同材料分析中,基于一种选定结构,选取110S、N80Q、13Cr-110这3种常用材质进行对比分析;在温度影响分析中,对比了室温和180 ℃高温条件下的相同特殊螺纹接头的密封性能变化。

通过这种分析模型的建立,减少了计算时间,提升了分析效率,可以快速、高效地对不同特性特殊螺纹接头密封性能给出分析结果和判断,从而有助于快速完成特殊螺纹产品开发和应用分析。

分析过程中对接头密封性能的评价主要依赖于加权接触强度。加权接触强度是在接触强度基础上对接触应力进行加权并结合Murtagian等的研究成果确定的密封性能评价公式,见式(1)。

(1)

式中:Wa为加权接触强度;σc为密封面接触应力;l为密封面接触长度。

2 结果与讨论

2.1 过盈量影响分析

扣型A在室温条件、材料110S状态下3种不同过盈量公差的密封面接触压力积分值如图2所示。可以看出,H-H公差接头密封面上的接触压力积分值是最大的,L-L公差接头密封面上的接触压力积分值是最小。

在抓好核桃产业发展的同时，要加大招商引资力度，积极引进和培育具有市场竞争优势、带动能力强的龙头企业，提高核桃深加工能力，挖掘核桃的潜在经济效益，不断拉长核桃生产的产业链条，逐步实现生产、加工、销售一体化，提高经济效益。全县4266.7hm2核桃进入盛果期后，每年核桃干果总产量将达到1800×104kg以上。除部分用于直接食用外，绝大部分需进行深加工。因此，大荔县必须引入或建立龙头加工企业以解决核桃销路。

图2 扣型A 110S材质不同过盈下室温密封面接触压力积分值Fig.2 Contact intensity of the sealing surface at room temperature under different interference of connection A with 110S material

室温条件中,材料为110S的接头在3种不同过盈量公差下的台肩面接触压力积分值如图3所示。可以看出,L-L公差接头台肩面上的接触压力积分值最大,H-H的最小。

图3 扣型A 110S材质不同过盈下室温台肩面接触压力积分值Fig.3 Contact intensity of the shoulder surface at the room temperature under different interference of connection A with 110S material

对比图2和图3,当加载392 kN(即40 t)的轴向载荷时,L-L公差台肩面上的接触压力积分值是密封面上的接触压力积分值的5.9倍,而H-H公差台肩面上的接触压力积分值只是密封面上的接触压力积分值的3.0倍。由此表明,相同加载状态下大过盈配合密封面受力更大。

图4为室温条件下,材料为110S的接头在3种不同过盈量公差下密封面+台肩面接触压力积分值。从图4可以看出,L-L公差接头密封面+台肩面上的接触压力积分值最大,H-H的最小,三者总体相差不大。

图4 扣型A 110S材质不同过盈下室温密封面+台肩面接触压力积分值Fig.4 Total contact intensity at the room temperature under different interference of connection A with 110S material

从分析结果可以看出,在施加载荷一定情况下,不同配合条件特殊螺纹接头密封面+台肩面的累计受力相差不大,但不同的配合条件造成了密封面受力状态的变化:在大过盈状态下密封面受力更大,从而能保证更好的密封效果。这一分析结果与常规设计理念吻合。

2.2 材料影响分析

图5为室温条件扣型A接头在N-N过盈量条件下,3种材料110S、N80Q、13Cr-110 密封面上的接触压力积分值。材料性能取值见表2。从图5可以看出,13Cr-110接头密封面上的接触压力积分值大于110S的,N80Q的最小。

表2 模型中不同材料性能取值Table 2 Performance values of different materials in the model

图5 同一接头结构不同材料接头的密封面接触压力积分值Fig.5 Contact intensity on sealing surfaces of joints made of different materials with the same joint structure

图6为室温条件接头在N-N过盈量条件下,3种材料110S、N80Q、13Cr-110的接头台肩面上的接触压力积分值。从图6可以看出,3种材料接头台肩面上的接触压力积分值接近,13Cr-110接头密封面上的接触压力积分值大于110S的,N80Q的最小。

图6 同一接头结构不同材料接头的台肩面接触压力积分值Fig.6 Contact intensity on shoulder surfaces of joints made of different materials with the same joint structure

对比图5和图6,图5是不同材料条件下密封面部位的接触压力积分,可以发现不同材质对接头密封性能有一定影响;图6是不同材料条件下台肩部位的接触压力积分,分析结果显示不同材质差异不明显。从这里可知,不同材料对密封性能的影响主要体现在对密封面的影响上,并且材料性能对密封的影响小于材料强度本身的变化。

图7为室温时接头在N-N过盈量条件下,110S、N80Q、13Cr-110的密封面+台肩面接触压力积分值。可以看出,13Cr-110接头总接触压力积分值大于110S的,N80Q的最小。

图7 同一接头结构不同材料接头的接触压力积分值Fig.7 Total contact intensity of joints made of different materials with the same joint structure

从上述分析可知,不同材质对特殊螺纹接头接触性能影响是确定的,相同结构下高强度材质产生接触应力相应增大。

2.3 温度影响分析

图8～10分别为同一接头结构(扣型A),密封公差为N-N、材料为110S接头密封面上、台肩面上及密封面+台肩面上的接触压力积分计算结果。

图8 扣型A在不同温度下的密封面接触压力积分值Fig.8 Contact intensity on sealing surfaces of connection A at different temperatures

图9 扣型A在不同温度下的台肩面接触压力积分值Fig.9 Contact intensity on shoulder surfaces of connection A at different temperatures

图10 扣型A在不同温度下的接触压力积分值Fig.10 Total contact intensity of connection A at different temperatures

从图8～10可以看出:180 ℃高温下密封面的接触压力积分值低于室温下密封面的接触压力积分值;高温下台肩面的接触压力积分值略高于室温下台肩面的接触压力积分值(轴向载荷小于245 kN即25 t时),总体而言,室温下接触压力积分值略高于高温下接触压力积分值。从分析结果看,温度对接头性能影响并不明显。结合既往ISO13679等标准评价试验方法数据,在现有的评价试验数据中,更加侧重高温条件下的密封性能评价的C系试验发生泄漏很罕见,而更加侧重内压、外压载荷的A系或B系试验泄漏风险更高,这一定程度上说明温度并未像预期那样直接影响接头密封性能。

3 结论

(1) 分析了同一接头结构不同公差的接头接触压力状态,结果可知,在施加载荷一定情况下,不同配合条件特殊螺纹接头密封面+台肩面的累计受力相差不大,但不同的配合条件造成了密封面和台肩面的受力分配的变化:大过盈状态下密封面受力更大而台肩受力更小。因此在合理尺寸范围内尽量增加密封面过盈状态,将有助于提升接头密封性能。

(2) 分析室温下同一接头结构、不同接头材料接头接触压力的计算结果可知,同一轴向载荷条件下,不同密封面公差下的接触压力积分值为:13Cr-110>110S>N80Q,相同结构下高强度材质产生接触应力相应增大。

(3) 分析同一结构、相同材料接头在不同温度下接触状态,室温下接触压力积分值略高于高温下接触压力积分值。