特殊螺纹接头密封性能与结构分析

辛纪元，吴广瀚，邹天下，朱世忠，李大永，3（．上海交通大学　机械与动力工程学院，上海0040；．南通永大管业股份有限公司，江苏　南通6600；3．上海交通大学　机械系统与振动国家重点实验室，上海0040）

特殊螺纹接头密封性能与结构分析

辛纪元1，吴广瀚1，邹天下1，朱世忠2，李大永1，3
（1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．南通永大管业股份有限公司，江苏南通226600；3．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）①

油气井环境的日益苛刻对油套管的密封性能和连接强度提出了更高的要求。采用有限元方法分析了特殊螺纹接头的密封性能及结构特点，重点研究了现有结构在上扣转矩、轴向拉伸及内部内压作用下接头的应力分布和密封效果，获得了在各种工况下的失效载荷，并在此基础上，对此种特殊螺纹接头主密封结构、螺纹牙型进行设计、对比与分析。分析结果表明，在主密封结构的设计上需要综合考虑接触应力及接触面积等因素才能得到较好的密封效果；在螺纹牙型设计上，需要考虑螺纹加工对成本的影响，使用加工刀具及量具比较成熟的偏梯形螺纹是较好的选择。

特殊螺纹接头；密封性能；结构；有限元

油套管是石油钻采作业中必不可少的部分，其质量直接影响到钻井的成败和油气井的使用寿命。其中的螺纹接头是最薄弱的部分，资料表明，油套管失效事故约64%发生在螺纹连接部位［1］。而随着全球大力开发深井、超深井、高气压井、稠油热采井、定向井、水平井、重腐蚀井等环境更加苛刻的油气井［2］，普通A PI推出的接头在密封性能和连接强度等方面已经不能满足现在工程技术的要求，为此国外先进的套管生产厂成功开发出多种特殊螺纹接头。特殊螺纹接头的研究和开发，国外从四十年代后期起步，六十年代投入使用，八十年代大量应用，目前约有100多种扣型，并且每年都有一些新型螺纹接头问世［3-7］。

我国虽然是世界上消耗油套管最多的国家之一，但是特殊螺纹接头的研究与开发起步较晚。特殊螺纹接头的研发制造主要集中在上海宝山钢铁股份有限公司，天津钢管集团有限公司以及无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司［8-9］。随着我国近几年对特殊螺纹接头的研发越来越重视，其他相关的油套管生产厂企业纷纷开始着力于特殊螺纹接头的研究开发。本文以一种新型特殊螺纹接头为研究对象，分析特殊螺纹接头的密封机理及各种工况下的失效载荷，指出存在的不足，并进行相应的改进。

1 特殊螺纹接头的密封机理

在A PI螺纹啮合后，会存在一条螺旋状的泄漏通道，泄漏通道的存在限制了A PI螺纹的密封性能。而在特殊螺纹接头的设计中，不再依靠螺纹配合来实现密封功能，而是专门设计了金属／金属密封和辅助密封结构。在金属／金属密封面完全光滑的条件下，防止内部流体泄漏的条件为密封面上的接触压力大于内部流体的压力，而在实际金属加工影响下，密封面难以保证是完全光滑的，所以即便是过盈配合后密封面间仍会存在微小的间隙［10］。

根据流体力学，流体通过间隙时所产生的局部阻力取决于泄漏路径长度和间隙截面积，当接触面的接触应力越大时，间隙的截面积就越小，可表示为

该阻力相当于沿泄漏路径l累积的接触应力。因此，该接触面的临界密封压力pcr可以表示为

从式（2）可以得出，接触面的临界密封压力正比于接触压力和泄漏路径长度。所以，为提高密封性能，应尽量满足以下2个条件：

1） 接触应力尽可能的大，使泄漏路径的面积较小。

2） 接触面积尽可能的大。使泄漏路径的长度较长。

2 特殊螺纹接头建模与分析

2．1 几何模型

Ø88．90mm×9．53mm P110特殊螺纹接头结构如图1所示。承载面角度为－3°，导向面角度为10°，螺纹啮合段的直径锥度为1∶16，密封段的锥度为1∶2。由于螺纹接头上扣后承受的内压和轴向载荷都是轴对称的，而且接头螺纹升角很小，因此本文采用轴对称模型。为保证计算精度，模型中管体长度3倍于管端至螺纹消失点的长度。网格采用的单元类型为四边形四节点轴对称实体等参单元，在螺纹牙及密封面处局部网格细化，如图2所示。

图1 特殊螺纹接头

图2 仿真模型的边界条件及局部网格细化

2．2 边界条件及材料属性

根据螺纹接头整体的对称性，在接箍对阵中面施加轴向位移约束。轴向拉力和内压载荷的施加如图2所示。由于螺纹接头承受的弯曲载荷可以用轴向载荷来等效，所以不单独考虑弯曲载荷，主要分析以下几种工况：上扣、内压至失效、拉伸至失效、高内压拉伸至失效。模型中螺纹之间的摩擦采用库伦摩擦，摩擦因数取0．02。模型的材料力学性能如下：E ＝2．01×105M Pa，μ＝0．3，σs＝758 M Pa，σb＝862 M Pa，延伸率δ＝20%。

2．3 结果分析

通过有限元仿真获得此种特殊螺纹接头在几种工况下的失效载荷，为充分发挥接头的连接性能，采用塑性应变达到5%作为仿真失效判据。各种工况下的仿真结果及分析如下：

图3为上扣后接头Mises应力云图及主密封面接触应力。通过图3可以看出，上扣后螺纹接头较大Mises应力出现在主密封结构处，其Mises应力未超过材料的屈服强度，结合接触应力分布图，主密封面上的最大接触应力1 500 M Pa，说明螺纹接头的过盈量设计是合理的，在保证接头变形较小的条件下达到较大的接触应力，但是在主密封面上的接触应力分布并不均匀，较大的接触应力分布在密封面的左端，说明锥面／锥面密封结构是有一定缺陷的。

图3 上扣后接头　Mises应力云图及主密封面接触应力

图4a为拉伸载荷800 k N、1 000 k N、1 500 k N、1 700 k N下承载面的平均接触应力分布规律，从800 k N～1 500 k N承载面的接触应力是升高的，而从1 500 k N增大到1 700 k N反而下降，这是因为拉伸载荷过大导致管体和螺纹牙均发生了较大的变形，接头出现松弛趋势。当载荷继续增大到1 900 k N，管体位置首先发生失效，如图4b所示，图中浅色位置是塑性应变超过5%的区域。另外，在拉伸载荷增大的过程中，密封面的接触应力也是在逐渐减小的，当载荷为1 700 k N时，密封面的接触应力为900 M Pa，较上扣时下降了600 M Pa，但是仍旧集中在密封面端部。综上，当拉伸载荷达到1 700 k N，此种特殊螺纹接头的应力分布趋势已经发生变化，为确保安全使用，拉伸失效载荷定为1 700 k N。

图4 上扣＋拉伸载荷仿真分析结果

图5为上扣＋内压至失效时应力云图。从图5可以看出，内压单独作用下当载荷达到170M Pa时，管体位置已经发生变形。油井管的工作长度可达几千米，当管体发生变形势必会对整个油井管的使用安全产生影响。所以，通过仿真得到此特殊螺纹接头的内压失效载荷为170 M Pa。

图5 上扣＋内压至失效时应力云图

图6为上扣＋高内压（90 M Pa）＋拉伸载荷仿真分析结果。通过图6a可以看出，此种工况下的拉伸失效载荷为1 500 M Pa，原因与拉伸载荷单独作用相同，接头承载面的接触应力分布趋势发生了变化。当拉伸载荷继续增大到1 700 k N时，如图6b，失效位置发生在B端外螺纹的根部位置。同样考虑到安全裕量，此种工况下的失效载荷为1 500 k N。

图6 上扣＋高内压＋拉伸载荷仿真分析结果

3 螺纹主密封面及牙型的结构性能对比

3．1 螺纹主密封结构选择与性能对比

以上仿真分析表明，虽然此种特殊螺纹接头密封面接触应力能够达到1 500 M Pa，但是应力较大区域集中在密封面端部位置，有潜在隐患。特殊螺纹接头的密封性能主要取决于主密封结构的设计，目前主密封结构主要有以下几类：锥面／锥面、锥面／球面、柱面／球面，如图7。不同的主密封结构决定了接触面上压力分布的不同，也就直接决定了其密封性能。根据前面论述的接头密封机理，主密封面上的接触压力应尽可能高，接触面尽可能大。

图7 主密封结构类型

采用有限元方法，对特殊螺纹接头主密封面在不同结构下的密封性能进行对比分析。在上扣转矩及上扣＋拉伸（1 200 k N）2种工况作用下，3种不同密封结构的接触压力沿锥度方向的分布情况如图8所示。

图8 主密封面上接触压力分布

从图8比较可以得出：对于接触面较大的锥面／锥面密封结构，接触应力沿锥度方向逐渐减小，最大接触应力达到1500 M Pa；锥面／球面、柱面／球面接触面较小，但在相同过盈量的条件下，接触应力的峰值大于锥面／锥面密封结构。在上扣＋拉伸载荷作用下，3种结构的接触应力出现不同程度的下降，柱面／球面的变化量最小，而锥面／球面的峰值向左发生偏移，可见拉伸载荷对锥面／球面的影响最大。

另外，考虑到锥面／锥面这种结构在加工时对2个密封面的锥度要求高，如果锥度不匹配会使接触面面积大大减小，进而降低了密封效果；而对锥面／球面，柱面／球面上扣后密封面过盈量的设计，有着比较高的要求。3种不同的密封结构各有优势，因此在选择时需要综合考虑接触压力、接触面积，才能得到良好的密封效果。

3．2 螺纹承载面倾斜角度对比与分析

螺纹牙型方面，A PI圆螺纹的承载面为60°，当承受拉伸载荷时，根据受力分析可知，将产生较大的径向分力，该分力使管体收缩，接箍胀大，从而导致接头滑脱失效。对于A PI偏梯形螺纹，承载面角度为3°，在拉伸载荷下径向分力依旧存在，但该力不会导致接头脱落，失效位置一般发生在管体。本文研究的特殊螺纹牙型采用的是负角钩式螺纹，与偏梯形螺纹在上扣＋内压＋拉伸载荷作用下的对比如下。

图9表明在上扣＋内压（90 M Pa）＋拉伸（1 200 k N）工况下2种接头应力分布基本形同。同样的，比较在1 300 k N、1 400 k N的拉伸载荷下，接头整体受力分布也相差不大，当拉伸载荷达到1 500 k N时，2种接头的失效位置均首先发生在管体处。

图9 2种不同牙型在同种工况下的应力云图

图10为2种接头在1 200 k N下承载面平均接触应力沿锥度方向上的分布，可以看出，2种牙型承载面的平均接触应力分布沿锥度方向分布规律也比较类似，都能比较好地发挥出每个螺纹牙的承载作用。但是考虑到负角的钩式螺纹难于加工，而A PI偏梯形螺纹用于加工的刀具及量具比较成熟，可有效地节约成本。

图10 2种牙型承载面平均接触应力沿锥度方向上的分布

4 结论

通过有限元仿真，本文所研究的特殊螺纹接头的设计能够满足多种工况的需求，在上扣、拉伸等作用下失效位置均没有发生在螺纹连接部分。主密封面选择上，锥面／锥面、锥面／球面、柱面／球面3种密封结构各有优势，选择时应综合考虑接触应力和接触面积，才能起到良好的密封效果。螺纹牙型方面，采用负角的钩式螺纹设计虽然在连接强度上能够满足条件，但难于加工，需要重新设计刀具及量具，成本较高，在设计时应综合考虑。

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Anaiysis on Seai Property and Structurai Features of Premium Threaded Casing Connections

XIN Jiyuan1，W U G uanghan1，Z O U Tianxia1，Z H U Shizhong2，LI Dayong1，3
（1．School of M echanical Engineering，Shanghai Jiao Tong Universitu，Shanghai200240，China；2．N antong Yongda Pipe Industru Co．，Ltd．，N antong226600，China；3．State Keu Laboratoru of M echanical Sustem and Vibration，Shanghai Jiao Tong Universitu，Shanghai200240，China）

Considering increasing strict environ ments oil and gas wells face，the requirements for seal property and joint strength of oil casing tubes beco me higher．Seal property and structural features of a kind of premiu m threaded casing connection are studied with the finite element meth-od．The stress distribution and seal capability under conditions of make-up，internal pressures and axial tensile loads are analyzed，and failure loads are presented．O n this basis，the main structures of this connection，including main seal structure and thread form，are redesigned，then co m parison and analysis are presented．T he F E A results indicate that in terms of main seal structure design，contact stress and contact area should be co m prehensively considered；in terms of thread form，buttress thread with mature machining tools and measuring tools is reco m mended．

premiu m connection；seal property；structural features；finite element method

T E931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．007

1001-3482（2015）06-0029-05

①2014-12-22

辛纪元（1989-），男，山东日照人，硕士研究生，主要从事金属塑性成形的研究，E-mail：winterstar＠sjtu．edu．cn。