拉伸载荷下承载面角度对特殊螺纹接头连接强度影响的有限元分析*

白 鹤，鲁碧为，何石磊，周新义，杨晓龙

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

拉伸载荷下承载面角度对特殊螺纹接头连接强度影响的有限元分析*

白 鹤1,2，鲁碧为1,2，何石磊1,2，周新义1,2，杨晓龙1,2

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

利用有限单元法对拉伸条件下，承载面角度分别为30°，10°，3°，0°和－3°时 P110钢φ139.7 mm×9.17 mm特殊螺纹接头的连接强度进行了数值模拟。模拟结果显示，当承载面角度为30°时，随着拉伸载荷的增大，接头失效形式表现为滑脱；承载面角度分别为10°，3°，0°和－3°时，随拉伸载荷的增大，接头失效形式表现为螺纹断裂。研究结果表明，在拉伸载荷下，当螺纹承载面角度越大时，接头滑脱趋势越明显；当螺纹承载面角度越小时，则接头断裂趋势越明显。

特殊螺纹接头；承载面角度；连接强度；有限元

随着我国石油勘探水平的不断提高，深井、超深井、热采井以及高温高压气井逐年增加，对油套管接头的性能提出了越来越高的要求[1]。高连接强度是螺纹接头最重要的性能指标之一。目前，油田市场广泛使用的接头有三种，即API圆螺纹接头、API偏梯螺纹接头和特殊螺纹接头，其连接强度也各不相同。而套管接头的连接强度与其螺纹结构（螺纹高度、承载面角度、锥度等）密切相关。特殊螺纹接头凭借其灵活多变的螺纹形式，为设计者优化螺纹结构、提升接头性能提供了广阔的空间[2]。

目前，考核特殊螺纹接头性能主要采用两种方法，即实物试验法和有限元分析法。实物试验作为一种评价油套管特殊螺纹接头综合性能的重要手段，可以评价在模拟服役条件下接头的使用性能，分析参数对其性能的影响，但价格昂贵，费时费力，并且难以定量分析接头各位置的应力、应变和位移分布状况。利用有限元软件模拟，不仅可以定量分析接头各位置在服役条件下应力、应变和位移等分布情况，方便技术人员对接头结构进行优化和改进，而且还可以有效降低实物试验频次和研究费用[3-4]。

本研究借助ABAQUS有限元分析软件，以P110钢φ139.7 mm×9.17 mm规格特殊螺纹接头为例，分析讨论了拉伸载荷下承载面角度对特殊螺纹接头连接强度的影响，为特殊螺纹接头的设计和优化提供一些参考。

1 有限元模型建立

1.1 模型的简化

特殊螺纹接头目前常用的螺纹承载面角度有三种，即正角度、0°和负角度。本研究选用的特殊螺纹接头螺纹结构如图1所示，在接头其他结构和分析条件设置相同的情况下，将承载面角度分别设置为 30°，10°， 3°，0°和－3°， 讨论拉伸载荷下不同承载面角度对特殊螺纹接头连接强度的影响。

图1 特殊螺纹接头螺纹结构示意图

根据有限元分析软件特点，结合该特殊螺纹接头的实际情况，对特殊螺纹接头的有限元模型进行以下假设和简化[5-9]：①管体和接箍为各向同性的强化材料；②忽略螺纹升角的影响；③假设管体和接箍在变形前的几何尺寸为理想状态。

基于上述模型的特点及假设，拉伸载荷下特殊螺纹接头承载面角度对特殊螺纹接头连接强度的影响分析可按轴对称问题处理，采用弹塑性非线性有限元方法进行分析。

1.2 参数设置

有限元模型网格划分如图2所示，分析采用轴对称四节点单元，并在螺纹、密封面及台肩处进行了网格加密，有效增加了分析结果的合理性。该材料的实测屈服强度为820 MPa，本次分析采用的轴向拉伸载荷为3 200 kN。此外，结合选用的材料特性，确定了以下材料参数：弹性模量 210 GPa，泊松比0.3[10-11]，摩擦系数 0.02（摩擦系数与螺纹脂有关，一般为0.015～0.025[12-15]）。

1.3 拉伸失效判据

图2 特殊螺纹接头有限元模型网格划分

接头在承受拉伸载荷过程中，首先会在啮合的第一扣非完整螺纹开始出现失效(滑脱或颈缩断裂)，随后沿后续啮合扣向后扩展，直至整个接头发生失效。因此当接头承受载荷等于材料屈服强度时，材料开始发生塑性颈缩变形，此时考核内外螺纹每一啮合扣上的任一点随载荷增加产生的径向位移差值，便可以判断接头的失效形式。材料发生颈缩变形时，如果接头内外螺纹每一啮合扣上的点径向位移差值均发生变化，说明该接头在拉伸过程中有滑脱失效的趋势；反之，如果接头内外螺纹任意啮合扣在材料发生颈缩变形时没有径向位移差值，说明内外螺纹没有发生相对移动，因此在该情况下接头在拉伸过程中有螺纹断裂的失效趋势。

2 有限元数值计算结果及分析

特殊螺纹接头啮合和取点位置如图3所示。图3中第一扣为管体螺纹收尾处与内螺纹相互啮合的最后一扣非完整螺纹。第十七扣为管体上最接近台肩且与内螺纹相互啮合的第一扣完整螺纹。不同承载面角度的接头在3 200 kN拉伸载荷下的内外螺纹对应的啮合扣上的点随载荷增加产生的径向位移差值如图4所示，图4中横坐标的载荷比例为实时载荷与最终载荷3200kN的比值。

图3 特殊螺纹接头啮合和取点位置示意图

从图4可以看出，当接头承载面为30°时，随着拉伸载荷的增加，特别是在载荷比例超过0.3之后，图4（a）中的曲线呈现明显的下降趋势，说明此时接头上各个对应相互啮合的扣之间出现了明显的相对位移。随着载荷的继续增加，曲线下降趋势逐渐显著，特别是前三扣曲线下降速度最快，这说明在拉伸过程中，接头失效首先从第一扣开始，然后向第十七扣方向逐渐扩展。当载荷还未达到材料屈服强度发生颈缩变形时，各相互啮合的扣之间就已经出现了较大的相对位移，因此可以判断在拉伸载荷作用下，30°承载面角度的接头失效形式应为螺纹滑脱。

30°承载面特殊螺纹接头上扣后和拉伸时螺纹部分的Mises应力云图如图5所示。从图5可看出，接头拉伸时的Mises应力还未达到屈服强度，各相互啮合的扣之间就已经有了明显的相对位移；最大Mises应力发生在管体的非完整扣的齿顶处，由于该处是非完整扣，齿顶处没有平滑过渡，产生应力集中（图5（b）中圆圈处所示），造成拉伸过程中该处断裂。此外，API圆螺纹承载面为30°与该接头承载面角度相同，在拉伸试验过程中P110钢φ139.7 mm×9.17 mm规格的API圆螺纹接头失效形式表现为螺纹拉脱，而且拉脱后管体非完整扣处有细小的金属丝（见图6），说明接头拉脱时在非完整扣的应力集中处发生断裂，这也与该特殊螺纹接头本次模拟结果相同。

图4 不同承载面角度对接头螺纹处径向位移差值变化的影响

图5 30°承载面特殊螺纹接头上扣及拉伸过程螺纹处Mises应力云图

图6 P110钢φ139.7 mm×9.17 mm规格API圆螺纹接头拉伸失效实物照片

当承载面角度为10°时，随着拉伸载荷的增加，接头螺纹径向位移差值曲线的趋势与30°承载面接头的区别较为明显。虽然在载荷比例0.5处前三扣曲线开始有向下的趋势，但下降幅度远不及30°承载面的接头，此外在载荷达到材料屈服强度时，最后三扣的曲线依然没有下降趋势，这说明在材料发生颈缩塑性变形时，相互啮合的最后三扣没有相对位移。因此在拉伸过程中P110钢φ139.7 mm×9.17 mm规格10°承载面的特殊螺纹接头失效形式表现为螺纹断裂，断裂位置应位于第三扣和第十五扣之间。

当承载面角度为3°时，随着拉伸载荷的增加，螺纹接头径向位移差值曲线整体趋势与10°承载面接头趋势相似，但前三扣对拉伸载荷的敏感性较10°承载面接头不明显，且相互啮合的最后三扣在拉伸载荷达到屈服强度时没有发生相对位移，说明该接头在拉伸过程中失效形式表现为螺纹断裂。

当承载面角度为0°和－3°时，随拉伸载荷增加螺纹接头径向位移差值曲线走势类似，但与正角度承载面的接头曲线趋势区别明显。随着拉伸载荷的增加，0°和－3°承载面接头每一啮合的扣都没有明显的向下趋势，说明当加载至管材发生颈缩塑性变形时，接头上相互对应啮合的扣没有发生相对位移，因此其失效形式应为断裂。

－3°承载面特殊螺纹接头上扣及拉伸过程螺纹处Mises应力云图如图7所示。承载面接头上扣后和拉伸时螺纹部分的Mises应力云图对比结果与上述结论相符。从图4（d）和图4（e）还可以看出，前三扣的相对位移随着载荷的增加反而上扬，这是由于在拉伸过程中非完整扣齿顶处没有平滑过渡，从而产生应力集中，应力集中位置发生向上变形后并产生断裂。

图7 －3°承载面特殊螺纹接头上扣及拉伸过程螺纹处Mises应力云图

不同承载面管体螺纹拉伸受力分析如图8所示。由图8可以得知，正角度承载面受到远离接箍上对应啮合扣的分力f2，而负角度承载面受到靠近接箍对应啮合扣分力f2，因此可以判断承载面角度越大接头滑脱趋势越明显，承载面角度越小则螺纹断裂失效趋势越明显。但接头最终的失效破坏是滑脱还是断裂，还需要用根据承载面角度结合有限元进行计算得出。

图8 不同承载面管体螺纹拉伸受力分析图

3 结 论

（1） 对于P110钢 φ139.7 mm×9.17 mm特殊螺纹接头来说，不同的螺纹承载面角度对该接头拉伸失效形式影响较大，当接头承载面角度为30°时，接头失效形式表现为螺纹滑脱，当接头承载面角度分别为 10°，3°， 0°和－3°时， 接头失效形式则表现为螺纹断裂。

（2）对于P110钢 φ139.7 mm×9.17 mm 特殊螺纹接头来说，螺纹承载面角度越大，则接头滑脱趋势越明显，螺纹承载面角度越小，则接头断裂趋势越明显。

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Finite Element Analysis on the Effect of Loading Flank Angle to Premium Connection Tensile Strength

BAI He1,2，LU Biwei1,2，HE Shilei1,2，ZHOU Xinyi1,2，YANG Xiaolong1,2
（1.Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.，Baoji 721008，Shaanxi，China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China）

Under the tension condition,the tensile strength of premium connection of P110 steel φ139.7 mm×9.17 mm with 30°，10°，3°，0°and-3°loading flank angle were analyzed by using the finite element analysis（FEA）software,respectively.The result showed that the failure of premium connection with the 30°loading flank angle is jump-out with the increase of the tensile load;the failure of premium connection with 10°，3°，0°and-3°loading flank angle are all fracture.So the bigger the loading flank angle is,the more obvious the jump-out trend is;the smaller loading flank angle is,the more obvious the fracture is.

premium connection;loading flank angle;tensile strength;finite element

TE931

B

1001－3938（2015）09-0026-06

中国石油装备制造分公司科研项目“特殊螺纹接头油井管开发”（项目号Y-10K800001）。

白 鹤（1983—），男，陕西宝鸡人，硕士，工程师，从事油套管特殊螺纹接头开发工作。

2015-01-08

黄蔚莉