李毅 孫宇 吳稀勇 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津 300301)

螺紋牙形對(duì)特殊螺紋接頭彎曲性能的影響

李毅 孫宇 吳稀勇 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津 300301)

為分析特殊螺紋接頭彎曲性能，采用有限元方法，對(duì)比正角度螺紋、負(fù)角度螺紋和齒側(cè)過盈螺紋3種牙形對(duì)特殊螺紋接頭密封面上密封性能的影響。有限元分析結(jié)果表明，負(fù)角度螺紋可以提高拉伸性能，而齒側(cè)過盈螺紋有利于提高壓縮性能。綜合來看，齒側(cè)過盈螺紋有利于彎曲性能。這些結(jié)果可為抗彎曲特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)提供參考。

特殊螺紋 接頭 有限元分析 彎曲 拉伸 壓縮 性能

1 引言

特殊螺紋接頭的使用性能可通過全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)得到和有限元方法進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。對(duì)特殊扣接頭性能大量的有限元分析工作，大都集中在軸對(duì)稱邊界和載荷方面，包括上扣、外壓、內(nèi)壓、軸向拉伸或壓縮等。而對(duì)于非軸對(duì)稱載荷，比如特殊螺紋接頭的彎曲性能，目前的有限元分析工作很少[1-3]。但在具體油田應(yīng)用中，特別是大位移井和定向井等，特殊螺紋扣接頭的彎曲性能是非常重要的性能參數(shù)。分析影響接頭彎曲性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以為接頭的設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。本文中，采用有限元模型分析了螺紋的牙形結(jié)構(gòu)對(duì)特殊扣接頭彎曲性能的影響。在分析中施加相同彎曲載荷下，采用類似的金屬－金屬密封接頭對(duì)比了3種不同牙形下接頭的密封性能。

2 有限元模型的建立

本文采用有限元分析軟件Abaqus建模。接頭彎曲加載分析的難點(diǎn)在于：（1)單元的選擇。由于彎曲載荷是非軸對(duì)稱的，需要使用可加載非軸對(duì)稱載荷的CAXA單元。（2)接觸分析的建立。使用CAXA單元后不能定義基于單元的接觸面，因而也不能采用常規(guī)的接觸面計(jì)算，需要使用特殊的接觸單元和滑移線方法，具體方法是從單元數(shù)據(jù)中依次導(dǎo)出所有需要定義接觸面的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后分別定義接觸單元和滑移線。（3)彎曲載荷的加載。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，可通過在表面加載的非均勻面載荷實(shí)現(xiàn)彎曲載荷，在Abaqus中這樣的載荷需通過DLOAD子程序完成。本文中選擇的單元為CAXA4N單元（其中N=1～4，對(duì)應(yīng)于4種不同的Fourier模式)。大量的有限元計(jì)算說明，在此4種模式下分析結(jié)果一致，本文僅描述N=1下的分析結(jié)果。文中彎曲表示方法采用特殊螺紋接頭彎曲性能的表示方法，為**/30 m（其中**為角度)。整個(gè)分析過程為以下 4 步：（1) 上扣;（2)20°/30 m 彎曲;（3)30°/30 m 彎曲;（4)40°/30 m 彎曲。

主要分析不同彎曲載荷下其拉伸面和壓縮面的密封性能變化。具體的分析模型建立方法與接觸計(jì)算的驗(yàn)證見文獻(xiàn)[4]～[5]。

在本文中分別采用密封面上的接觸應(yīng)力與密封指數(shù)來描述特殊螺紋接頭的密封性能，重點(diǎn)分析不同彎曲載荷下密封性能的變化，以表征其彎曲性能。其中密封面上的接觸應(yīng)力為接觸單元的S11輸出;密封指數(shù)定義為密封面上接觸應(yīng)力對(duì)接觸長(zhǎng)度的積分，其單位轉(zhuǎn)化為ksi*in，計(jì)算公式如下：

式中，σc為接觸應(yīng)力，L為接觸長(zhǎng)度。接觸應(yīng)力反映了接觸面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力大小;密封指數(shù)則綜合體現(xiàn)了接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度的效果。

選擇的尺寸規(guī)格為177.8 mm×10.36 mm，L80鋼級(jí)進(jìn)行分析。TYPE1、TYPE2、TYPE3三種不同的牙形結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中TYPE1為正角度螺紋，TYPE2為負(fù)角度螺紋，TYPE3為齒側(cè)過盈螺紋。

圖1 不同牙形示意圖

3 有限元分析結(jié)果

3.1 TYPE1密封性能分析

見圖 2、圖 3。

從圖2、圖3可知，隨著彎曲角度的增加，拉伸面密封指數(shù)下降，而壓縮面密封指數(shù)上升，與文獻(xiàn)中結(jié)果吻合[5]。有限元分析表明，隨彎曲角度的增加，拉伸側(cè)上密封面接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度下降，而壓縮側(cè)密封面上則接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度均上升。

圖2 TYPE1拉伸側(cè)密封面上接觸應(yīng)力

圖3 TYPE1不同彎曲角度下密封指數(shù)

3.2 TYPE2密封性能分析見圖4。

圖4 TYPE2不同彎曲角度下密封指數(shù)

由圖4可知，隨著彎曲角度的增加，拉伸側(cè)密封指數(shù)變化不明顯，而壓縮側(cè)密封指數(shù)上升。有限元分析表明隨彎曲角度增加，拉伸側(cè)密封面上的接觸應(yīng)力與接觸長(zhǎng)度變化不明顯，而壓縮側(cè)接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度均增加。

3.3 TYPE3密封性能分析

從圖5可知，隨著彎曲角度增加，拉伸側(cè)密封指數(shù)下降，而壓縮側(cè)密封指數(shù)上升。其趨勢(shì)與TYPE1的結(jié)果類似。有限元分析表明拉伸側(cè)密封面上接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度均下降，而壓縮側(cè)接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度上升。

圖5 TYPE3不同彎曲角度下密封指數(shù)

3.4 3種不同牙形的對(duì)比

以3種不同牙形的上扣態(tài)作參考，分別對(duì)比了彎曲40°/30 m后密封指數(shù)的相對(duì)變化，如表1所示。其結(jié)果表明，TYPE3扣型抗壓縮性能相對(duì)好，說明齒側(cè)間隙過盈螺紋能夠明顯提高接頭的抗拉伸性能;而TYPE2抗拉伸性能相對(duì)好，說明負(fù)角度螺紋能夠明顯提高接頭的抗拉伸性能。

表1 不同牙形彎曲40°/30 m后密封指數(shù)的相對(duì)變化

4 結(jié)論

（1)由于彎曲是拉伸和壓縮共同作用的結(jié)果，計(jì)算和實(shí)物試驗(yàn)都表明3種牙形的拉伸效率都可以達(dá)到管體的100%，因而影響彎曲的主要是抗壓縮性能。從有限元分析結(jié)果看，相同彎曲條件下TYPE3壓縮面密封指數(shù)變化最小，抗壓縮性能相對(duì)好，抗彎曲性能相對(duì)較好。即齒側(cè)過盈配合更有利于提高特殊螺紋接頭的壓縮和彎曲性能。

（2)分析結(jié)果可為特殊螺紋設(shè)計(jì)提供參考，也表明有限元方法可為特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)、彎曲及其他性能的預(yù)測(cè)提供依據(jù)，可在一定程度上減小實(shí)物試驗(yàn)數(shù)量，節(jié)省時(shí)間和成本，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。

[1]楊智春，李斌，史交齊.特殊螺紋套管接頭的應(yīng)力及密封特征分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（7):771-774.

[2]Yuan Guangjie，Yao Zhenqiang，Wang Qinghua，et al.Numerical and experimental distribution of temperature and stress fields in API round threaded connection[J].Engineering Failure Analysis，2006，13（8)：1 275-1 284.

[3]高連新，史交齊.油套管特殊螺紋接頭連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（2)：15-19.

[4]吳稀勇，閆龍，陳濤，等.彎曲載荷下特殊螺紋接頭密封性能的有限元分析[J].鋼管，2010，39（6)：70-73.

[5]Tafreshi A.SIF evaluation and stress analysis of drilling threaded joints[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，1999，76（1)：91-103.

Influence of Thread Profile on Bending Performance of Special Threaded Connector

Li Yi,Sun Yu,Wu Xiyong

In order to analyze the bending performance of special threaded connector,the authors,with infinite element method,compare the influence of positive angled thread,negative angled thread and teeth side over-fit thread on the sealing performance of special threaded connector sealing surface.Analysis results show that negative angled thread can increase tensile performance and teeth side over-fit thread facilitates the increase of compression performance.In an overall view,teeth side over-fit thread is beneficial to bending performance.These results can provide reference to the design of special anti-bending threaded connector.

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（收稿 2011－11－07 編輯 趙實(shí)鳴)

李毅，副高級(jí)工程師，主要從事油井無縫管材料開發(fā)、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制與實(shí)驗(yàn)、特殊螺紋的開發(fā)工作，現(xiàn)任天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心主任。