CLS 特殊螺紋接頭氣密結(jié)構(gòu)研究及有限元分析

秦雙雙，王儒朋

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，尤其是深井、超深井、高壓氣井、定向井的開發(fā)以及高含硫氣井的開采，對(duì)石油套管的使用性能不斷提出了更高的要求。CLS 特殊螺紋套管接頭具有高抗扭性能，在惡劣工況下仍有良好的使用效果，在CLS 螺紋套管上開展氣密性能研究，可以有效應(yīng)對(duì)海上氣田的應(yīng)用要求。本文在保證原CLS 螺紋套管高抗扭結(jié)構(gòu)上開展氣密結(jié)構(gòu)研究，并通過(guò)有限元的方式對(duì)不同氣密結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，最后給出了氣密結(jié)構(gòu)選擇的方向建議。

1 氣密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

影響螺紋接頭密封性能的因素較多，密封結(jié)構(gòu)形式是重要因素之一。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的密封結(jié)構(gòu)形式主要有錐面-錐面、球面-錐面、柱面-球面等密封形式，如圖1 所示。本文選取錐面-錐面和球面-錐面這兩種密封結(jié)構(gòu)形式利用有限元進(jìn)行分析。

圖1 特殊螺紋的主要密封結(jié)構(gòu)形式

2 氣密結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析方向密封面應(yīng)力及接觸壓力分析

2.1 有限元模型的建立

CLS 接頭材料采用L80-3Cr，錐面-錐面接頭密封面處的錐度為1：11，球面-錐面接頭密封面處的球形半徑為73.25mm。據(jù)此建立三維模型后采用六面體減縮積分單元對(duì)模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2 所示。

圖2 7”CLS 接頭及接箍網(wǎng)格劃分

2.2 有限元計(jì)算

最大Mises 應(yīng)力。將兩種接頭的結(jié)構(gòu)形式分別與接箍進(jìn)行裝配，經(jīng)有限元分析得到如圖3 所示的Mises 應(yīng)力云圖。

從圖中可以看出，最大應(yīng)力主要集中在密封面處，錐面-錐面接頭最大Mises 應(yīng)力為553.7MPa，球面-錐面接頭最大Mises 應(yīng)力為556.6MPa，且接頭上的Mises 應(yīng)力值大于接箍。

圖3 7”CLS Mises 應(yīng)力云圖

密封面應(yīng)力及接觸壓力。在密封面上，沿密封面錐度球面弧度方向取等距20 個(gè)節(jié)點(diǎn)，沿密封面錐度方向Mises 應(yīng)力逐漸減小，沿球面弧度方向先保持不變后逐漸減??；沿密封面錐度方向接觸壓力逐漸減小，沿球面弧度密封面的接觸壓力呈中間高、兩邊低的分布規(guī)律。

在接頭密封面最大Mises 應(yīng)力處，沿逆時(shí)針?lè)较蛉ises 應(yīng)力，Mises 應(yīng)力和接觸壓力在環(huán)向上分布均勻。

密封面應(yīng)力及接觸壓力極值如表1 所示。

表1 密封面應(yīng)力及接觸壓力極值

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)兩種密封結(jié)構(gòu)接頭的Mises 應(yīng)力機(jī)緊接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)論：錐面-錐面接頭略小于球面-錐面接頭的最大Mises 應(yīng)力，因此，錐面-錐面接頭在使用過(guò)程中具有更好的上扣性能；錐面-錐面接頭最大接觸應(yīng)力小于球面-錐面接頭的最大接觸應(yīng)力，因此，球面-錐面接頭具有更好的密封性能；兩種密封結(jié)構(gòu)的密封面上，環(huán)向Mises 應(yīng)力分布均勻，滿足使用要求；二者密封面的環(huán)向接觸壓力分布較均勻，平均接觸壓力大于50 MPa，均具有良好的密封性能。建議今后的研究中，可采用實(shí)物試驗(yàn)的方式對(duì)兩種密封結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行驗(yàn)證，并結(jié)合工廠加工設(shè)備能力及加工難易程度最終選定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。