隔水导管螺纹接头连接性能研究

温纪宏，陈国明，畅元江，刘秀全

（中国石油大学 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛266580）①

海上平台钻井用隔水导管接头作为隔水导管系统最重要的部件之一，在极端作业条件下需要具备足够的强度，能够承受海水波浪的撞击力，同时又能使隔水单根相互快速拆卸及连接。隔水导管快速接头在保证连接强度的同时能够有效降低隔水套管连接时间和起下作业时间，减少钻井成本。

目前，国外浅水钻井隔水导管使用螺纹快速接头，生产隔水导管螺纹接头的公司主要有Dril－Quip、Oil States、Vetco－Gray和 Grant Prideco公司。R.Shilling与 M.L.Payne［1］通过疲劳导向设计，使螺纹接头在钻井、生产隔水导管中得到了更广泛的 应 用；J.Pollack 与 D.C.Riggs［2］对 适 用 于SCRs、海底管线的螺纹接头进行极限载荷（拉伸载荷，弯曲载荷）测试。国内目前对套管螺纹接头研究较多，高连新［3］对圆螺纹套管接头使用工况下的应力分布规律进行研究；习俊通［4］通过编制有限元分析程序，对不同载荷条件下螺牙载荷分布进行了分析研究；何牛仔［5］对热采井套管螺纹进行了有限元分析。近年来，国内外主要关注于深水钻井隔水导管快速接头的研究，对浅水隔水导管快速接头的研究较少。本文利用ABAQUS软件，对不同形状螺纹的隔水导管螺纹接头进行强度分析，并针对接头螺纹的应力分布进行了优化，从而为隔水导管螺纹接头的合理设计提供参考。

1 隔水导管螺纹接头的优点

隔水导管接头是隔水导管系统最重要的部件之一，主要分为爪型、螺栓－法兰型、螺纹型和铗钳型［6］。Dril－Quip公司生产的隔水导管螺纹接头产品如图1所示，其所承受的外部载荷通过母接头和公接头旋合的内、外螺纹传递。

图1 Dril－Quip公司隔水导管螺纹快速接头

隔水导管螺纹接头的优点是：易对接，易焊接，采用金属对金属自定位、连接快速，可重复利用，技术成熟，目前在国外已经拥有大量的现场使用案例。

2 模型建立

与应用在石油化工设备中的接头相比，隔水导管接头的几何尺寸更大，并且应用于海洋环境，受力情况更复杂，对于隔水导管螺纹接头，连接强度分析是一个综合几何非线性和边界非线性的弹塑性接触问题，而ABAQUS是进行有限元分析的有效工具，可对结构、载荷与边界条件进行模拟分析，同时考虑大变形、非线性等。因此，采用ABAQUS对不同齿形的隔水导管螺纹快速接头进行建模，求解。

2.1 有限元模型

隔水导管螺纹接头建模基本参数为公接头内径D1＝700mm，外径D2＝804mm，壁厚d＝15.875 mm（0.625英寸），螺距P＝24mm。基于接头强度高于本体强度的原则，隔水导管采用X52钢，接头材料采用 X80钢，屈服强度为551.6MPa（8 000psi），弹性模量2.1×1011Pa，泊松比取0.3。隔水导管螺纹接头由一组螺旋面构成，内、外螺纹面的接触区域狭长。根据螺纹接头的结构与受力特点做3个假设：

1） 由于螺纹螺旋升角很小，则不计其影响，将接头视为轴对称结构，按照轴对称简化模型进行建模。

2） 隔水导管螺纹接头的材料为各向同性。

3） 忽略倒角与退刀槽的影响。

采用ABAQUS软件按照轴对称模型对圆弧螺纹、梯形螺纹和锯齿螺纹3种标准螺纹隔水导管接头进行建模，使用CAX4单元对模型进行网格划分，模型如图2所示。

图2 标准螺纹接头模型

2.2 载荷条件

式中：c为隔水管线的平均半径；I为隔水管线的惯性力矩；A为隔水管线的截面；do为隔水管线的外径；t为隔水管线的壁厚。

由式（1）可算得隔水导管等效张力为：TEQ＝3.927MN。接头自重力和轴向张力以及弯矩相比很小，因此不予考虑。

由于校核的是接头的连接强度，即在特定的载荷（弯矩和轴向拉力）工况下，要求接头螺纹能承受足够的拉力，使隔水导管单根能够可靠连接。通过有限元分析软件ABAQUS对隔水导管系统进行整体分析，得到隔水导管轴向拉力为3.347MN，弯矩值为0.103 73MN·m。通常将接头载荷条件可以看作轴对称张力，在这种单一化过程中，隔水导管弯矩被转换成等效张力（TEQ）。TEQ表示了隔水导管轴向张力（T）和弯矩（M）的集合［6］，即

3 应力分析与优化

隔水导管螺纹接头所承受的外部载荷通过母接头与公接头旋合的内、外螺纹来传递，因此，螺牙上的应力分布对于螺纹的设计具有指导意义。

3.1 不同齿形接头应力分布

对相同载荷条件下的3种不同标准螺纹的隔水导管螺纹接头进行有限元分析，提取各螺纹牙轮廓应力值，得出应力变化如图3所示。

图3 不同标准螺纹接头螺纹牙轮廓应力变化

由图3可以看出：各螺纹牙应力分布不均匀，每个螺纹牙根部应力最大，且在第1个螺纹牙根部存在严重的应力集中现象；3种标准螺纹接头相比，圆弧螺纹接头与梯形螺纹接头比锯齿螺纹接头受力均匀，锯齿螺纹接头在各螺纹牙根部两侧，存在微弱的应力集中现象。

各螺纹牙应力分布不均及螺纹牙根部的应力集中严重影响了隔水导管螺纹接头的抗拉性能，因此，需要对其进行改善。

3.2 螺纹接头优化

针对隔水导管螺纹接头各螺纹牙应力分布不均，及第1个螺纹牙根部存在严重的应力集中现象，为了避免隔水导管接头过早失效，从研究隔水导管螺纹的应力分布入手，采用改变螺纹锥度和改变螺纹螺距措施减小应力集中程度，使螺纹载荷分布更加合理。

1） 改变螺纹锥度 保持公接头外螺纹的锥度不变，变化母接头内螺纹的锥度，使螺纹两端的1～2牙螺纹处于不完全接触状态。

2） 改变螺纹螺距 保持母接头内螺纹的螺距为标准螺距，变化公接头外螺纹的螺距，使内、外螺纹啮合后，两端的第1～2牙螺纹产生一定的轴向间隙，且间隙值越靠近两端越大。

对3种不同标准螺纹的隔水导管螺纹接头改进后进行分析，提取各螺纹牙应力值，作出不同标准螺纹接头应力沿轮廓变化对比如图4所示。

图4 螺纹改进前后应力沿轮廓变化对比

由图4可以看出：通过改变螺纹锥度，改变螺纹螺距，能够有效地减小第1个螺纹牙根部的应力，从而减小两端的峰值应力，使隔水导管螺纹接头应力分布更加均匀，提高隔水导管接头的连接强度。此外，对于隔水导管圆弧螺纹接头与梯形螺纹接头，改变螺纹螺距能够明显降低各螺纹牙的应力，对于隔水导管锯齿螺纹接头，改变螺纹锥度对降低各螺纹牙的应力效果更明显。

4 结论

1） 隔水导管标准螺纹接头在载荷作用下，各螺纹牙应力分布不均匀，每个螺纹牙根部应力最大，且第1个螺纹牙根部存在严重的应力集中现象。

2） 通过改变螺纹锥度，改变螺纹螺距，能够有效减小第1个螺纹牙根部的应力，使隔水导管接头应力分布更均匀，提高隔水导管接头的连接强度。

3） 对于隔水导管圆弧螺纹接头与梯形螺纹接头，改变螺纹螺距能够明显降低各螺纹牙的应力，而对于隔水导管锯齿螺纹接头，改变螺纹锥度对降低各螺纹牙的应力效果更明显。

［1］Shilling R，Payne M L.High－Strength Thread and Coupled Connectors for Dynamic Riser Applications［R］.SPE／108708，2007.

［2］Pollack J，Riggs D C.Improved Concentric Thread Connectors for SCRs and Pipelines［C］.OTC／21621，2011.

［3］高连薪，金 烨.圆螺纹套管接头应力分布规律研究［J］.机械强度，2004，26（1）：42－48.

［4］习俊通，聂 刚.套管螺纹接头连接性能的接触有限元分析［J］.西安交通大学学报，1999，33（11）：63－66.

［5］何牛仔，高学仕.热采井套管螺纹连接有限元分析［J］.石油矿场机械，2007，36（9）：64－66.

［6］API 16R，Specification for Marine Drilling Riser Couplings［S］.1997.