特殊螺纹套管接头柱面/球面密封结构有限元分析

朱 强，杜 鹏，王建军，秦东晨

(1.郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001；2.中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管工程重点实验室，陕西 西安 710077)



特殊螺纹套管接头柱面/球面密封结构有限元分析

朱 强1，杜 鹏1，王建军2，秦东晨1

(1.郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001；2.中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管工程重点实验室，陕西 西安 710077)

采用ANSYS建立套管接头的轴对称模型，着重分析一种特殊螺纹套管接头柱面/球面密封结构的密封性能,分别对3种工况(机紧、机紧+拉伸、机紧+内压+拉伸)进行求解，获得了密封端接触压力和等效应力的分布规律，对比分析了不同工况下密封端接触压力和等效应力，揭示了拉伸载荷和套管内部压力对结构密封性的影响.结果表明，该柱面/球面密封结构的接触压力和等效应力符合密封要求，为特殊螺纹套管接头的进一步优化设计提供理论指导.

特殊螺纹套管接头；柱面/球面；接触压力；有限元

0 引言

随着我国石油和天然气资源开采向深井、超深井、水平井和非常规天然气井方向不断发展，通常使用的普通石油套管已经不能满足需求，而需要更多地使用特殊螺纹套管[1].特殊螺纹套管接头采用金属/金属密封结构，与普通螺纹啮合密封套管相比，具有良好的密封性能.金属/金属密封端有锥面/锥面、锥面/弧面、柱面/球面等密封结构形式[2].锥面/锥面密封结构易于制造，该结构的有限元分析和实验研究较多且趋于成熟.窦益华等[3]研究了锥面/锥面密封结构特殊螺纹接头上扣扭矩与密封性能和连接强度的关系；曹银萍等[4]研究了特殊油管接头锥面/锥面密封结构在不同载荷工况下的密封性.

球面密封结构制造相对比较困难、成本较高，相关研究文献较少.蔡茂佳等[5]研究了交变载荷下某型球面密封结构的连接强度和密封性.由于管道外径和密封结构参数的差异，每种密封结构都呈现出不同的密封特性.笔者对一种柱面/球面密封特殊螺纹套管接头进行分析，该特殊螺纹接头密封结构由主密封和扭矩台肩两部分组成，如图1.上部为接箍，内表面密封部位为球面；下部为套管，密封部位为柱面，两者相互配合达到密封效果.采取合理的结构简化措施，在ANSYS中建立特殊螺纹接头轴对称模型，分析机紧、机紧+拉伸、机紧+内压+拉伸3种工况下套管接头密封性能，揭示不同工况对其密封性能的影响，为密封结构优化设计提供一定理论指导.

1 有限元模型

1.1 套管接头模型与简化

该特殊螺纹套管接头为5寸半(φ139.70 mm×9.17 mm)套管接头，材料为P110钢级.接头螺纹部分采用偏梯形螺纹，执行API SPEC 5CT[6]和API SPEC 5B[7]标准，螺纹承载面为3°，导向面为10°，螺距为5.08 mm，每英寸5牙，齿高为1.57 mm，螺纹锥度为1∶16.套管接头完整螺纹长度为46.76 mm，不完整螺纹长度为50.39 mm.采用球面/柱面金属密封结构形式，台肩面采用-15°扭矩台肩结构，具有抗过扭和辅助密封作用，密封和台肩结构如图1中密封端放大图所示.

基于ANSYS对套管接头进行分析，参考相关文献的处理方法[8-9]，采用如下简化假设：①螺纹升角较小，忽略螺纹升角影响；②按轴对称方式建模，有效减少计算量；③套管接头材料视为各向均匀的同性体；④根据圣维南原理，为了合理模拟套管的受力，套管长度大于螺纹长度3倍以上.

1.2 材料属性模型

P110钢级材料屈服强度为758 MPa，抗拉强度为862 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3.套管受力较大，材料在加载力过程中会超过屈服极限，产生塑性变形.为了准确模拟材料塑性，在ANSYS中输入材料的真实应力—应变曲线[8]，工程应力—应变与真实应力—应变之间的转换关系如下

式中：ε、σ为真实应变和真实应力；ε0、σ0为工程应变和工程应力.

根据上式求出的真实应力—应变数据，采用ANSYS多线性随动强化模型进行材料定义，随动强化应力—应变曲线如图2.

图2 材料真实应力—应变多线性随动强化曲线

1.3 有限元模型

采用Plane183单元对轴对称模型进行划分，接触部分使用接触单元定义接触对，通过不同实常数区分不同接触对.接触分析采用库伦摩擦模型，摩擦系数为0.02.有限元网格(局部)模型和接触对如图3所示，其中线状部位为接触对.

特殊螺纹套管接头承受复杂载荷工况，分解后为机紧、轴向拉伸和内压工况[9]，不同工况加载

力不同，对套管接头的密封性能会产生影响.综合套管接头受力情况，这里分别考虑机紧、机紧+拉伸、机紧+内压+拉伸3种工况下套管接头密封性能.采用标准上扣扭矩模拟套管接头机紧后的状态；设置拉力为材料屈服强度的80%，内压为40 MPa.施加载荷和约束后的模型如图4，其中左端约束，右端施加轴向拉伸载荷或轴向压缩载荷，内表面施加压力.

图3 有限元网格(局部)和接触对定义

图4 施加载荷和约束模型图

该分析涉及接触非线性、材料非线性和大变形.分析过程中，求解选项的大变形开关打开.非线性求解迭代使用完全牛顿法，即每一次迭代成功后都修改刚度矩阵.同时为了求解容易收敛，打开线性搜索选项、自动时间步长和时间步长预测器.

2 有限元分析

特殊螺纹套管接头柱面/球面为主密封部位，保证密封性能；扭矩台肩结构主要用来抗过扭，同时起到辅助密封作用.求解后得到3种工况下密封端结构von Mises应力云图，如图5所示.套管和接头通过接触传递力，根据分析结果，提取上述分析模型主密封面和台肩面的接触应力.密封部位具有良好密封性的条件是：①密封面有高于内压的接触压力；②密封面等效应力小于材料屈服强度，即不发生塑性变形[10].通过这两个方面分析考察3种工况下套管接头的密封性能.

2.1 主密封面

主密封面指的是特殊螺纹套管的柱面/球面部位，通过柱面与球面的配合来保证整个接头密封性.通过有限元分析并提取结果后，3种工况下主密封面数据如表1和图6.

表1 3种工况主密封面相关数据

图5 3种工况密封端结构von Mises应力云图

机紧工况是模拟套管接头机紧后的状态.从结果可以看出，机紧后有效接触长度上最大接触压力约为1 000 MPa，平均接触压力约为500 MPa，接触区域材料等效应力维持在650 MPa左右.机紧+拉伸工况是对套管进行机紧后加上轴向拉力的状况，轴向拉力是特殊螺纹套管经常承受的载荷.在轴向拉力的作用下，密封部位密封性能有所下降，最大接触压力降为650 MPa左右，平均接触压力为400 MPa左右，等效应力为350 MPa.机紧+内压+拉伸工况是在上述机紧+拉伸工况基础上加上管道的内部压力，这种工况更加符合套管实际工作状态.在内压的作用下，与上一工况相比，最大接触压力增大为710 MPa，平均接触压力增大为450 MPa，等效应力增大为400 MPa左右.套管接头材料的屈服强度为758 MPa，加载内压为40 MPa，3种工况下主密封面的接触压力都远远大于内压，并且等效应力小于材料的屈服强度，符合密封条件要求.

图6 3种工况主密封面上接触压力/等效应力随接触长度变化曲线

从表1可以看出，各项参数最低的工况是机紧+拉伸工况.各项参数最高的工况是机紧工况.从图6中看出，在机紧状态下加上轴向拉伸载荷后，接触压力曲线和等效应力曲线大幅下降，但由于初始机紧的作用，依然保有一定的接触压力.加上内部压力后，接触压力曲线和等效应力曲线有所提高，但提高幅度不是很大，没有超过机紧工况的结果曲线，可以认为，内部压力有助于密封部位的性能提升.

2.2 辅助密封面

辅助密封面为-15°扭矩台肩部位，该部位金属与金属配合可以起到辅助密封的效果.3种工况下有限元分析结果如表2和图7.

3种工况下的接触压力曲线呈现两头高中间低的趋势，等效应力曲线则在中间凸起.机紧工况下，接触压力最大值为500 MPa，大部分区域的接触压力值在350 MPa附近，最大等效应力为600 MPa.机紧+拉伸工况下，接触压力最大值为390 MPa，大部分区域的接触压力值在250 MPa附近，最大等效应力为500 MPa.机紧+内压+拉伸工况下，接触压力最大值为390 MPa，大部分区域的接触压力值在250 MPa附近，最大等效应力为460 MPa.

表2 3种工况辅助密封面相关数据

图7 3种工况台肩面上接触压力/等效应力随接触长度变化曲线

从图7中可以看出，在机紧工况下，接触压力和等效应力数值整体都比较大，由于拉伸载荷的作用，在后两种工况下接触压力和等效应力的数值有所下降.后两种工况下接触压力曲线重合在一起，而等效应力曲线有较小的差值，表明内压对台肩面的接触影响较小.与主密封面相比较，3种工况下辅助密封面的接触压力偏小，同时，辅助密封面的接触长度较主密封面长，在一定程度上增强了辅助密封面的辅助密封作用.

3 结论

特殊螺纹套管接头柱面/球面密封结构密封性能是决定复杂工况下油气开采的一项关键指标.通过合理简化，建立套管接头非线性有限元模型，通过3种不同工况下的数据对比和分析，得到如下结论.

(1)在机紧、机紧+拉伸、机紧+内压+拉伸3种工况下，该套管接头柱面/球面主密封面的最大接触压力分别为1 000 MPa、650 MPa和710 MPa，平均接触压力分别为500 MPa、400 MPa和450 MPa，同时，接触部位的等效应力均小于材料的屈服强度.

(2)对比机紧+内压+拉伸和机紧+拉伸两种工况，前者在有内压作用情况下主密封面最大接触压力增加了9.2 %，平均接触压力增加了12.5 %，而辅助密封面接触压力没有变化，这表明接头内部压力一定程度上可以提高主密封部位的密封能力，而对辅助密封部位的影响很小.

(3)该柱面/球面密封结构特殊螺纹套管接头可以实现良好的密封，本研究为特殊螺纹套管接头的改进优化设计提供了一定理论指导.

[1] 喻开安,郝龙,王树龙. 油套管特殊螺纹接头结构参数对性能的影响[J]. 石油矿场机械，2013,42(12):25-29.

[2] 王建东,冯耀荣,林凯,等. 特殊螺纹接头密封结构比对分析[J]. 中国石油大学学报, 2010,34(5):127-130.

[3] 窦益华,王轲,于洋,等. 特殊螺纹油管接头上扣性能三维有限元分析[J]. 石油机械，2015,43(4):99-104.

[4] 曹银萍,张福祥,杨向同,等. 不同载荷作用下特殊螺纹油管接头密封性分析[J]. 制造业自动化, 2012,34(7):87-89.

[5] 蔡茂佳,于洋,曹银萍,等. 交变载荷作用下特殊螺纹油管接头连接强度及密封性分析[J]. 制造业自动化,2014,36(2):76-91.

[6] America Petroleum Institute. API SPEC 5CT: Specification for Casing and Tubing[S]. Ninth edition. USA: API, 2012.

[7] America Petroleum Institute. API SPEC 5B: Specification for Threading, Gauging and Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads[S]. Fifteenth edition. USA: API, 2008.

[8] 高连新,金烨,史交齐. 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.

[9] 窦益华,于洋,曹银萍,等. 动载作用下特殊螺纹油管接头密封性对比分析[J]. 石油机械，2014,42(2):63-72.

[10]黄翠英,张宏,段庆全. 地下储气库特殊螺纹套管接头密封性分析[J]. 石油机械， 2010,38(5):49-51.

[11]刘竹丽,赵敏敏,马朋朋,等. 基于ANSYS的斜齿轮副接触分析与可靠性分析[J]. 郑州大学学报(工学版), 2015,36(2):6-9.

[12]陈艳霞,林金宝. ANSYS完全自学一本通[M]. 北京:电子工业出版社,2013.

Sealability Analysis of Premium Connection with Cylinder/ Sphere Sealing Structure Based on FEM

ZHU Qiang1, DU Peng1, WANG Jianjun2, QIN Dongchen1

(1.School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.CNPC Tubular Goods Research Institute, CNPC Key Lab for Petroleum Tubular Goods Engineering, Xi’an 710077, China)

With the increasing requirements for oil and gas resources exploitation, the premium connection is more and more widely used. The sealability is one of the important properties for premium connection, and in view of this the paper focuses on sealability analysis of premium connection with a kind of cylinder/sphere sealing structure based on finite element method (FEM). The axisymmetric model of the premium connection is established by using ANSYS. Three load conditions are considered as the machine tightening torque, machine tightening torque+axial tension, and machine tightening torque+internal pressure+axial tension conditions. Under these load conditions, the distribution rules of contact pressure and the VME stress of the sealing structure are obtained by ANSYS. Through comparisons of contact pressure and VME stress with different load conditions, the influence of tensile load and internal pressure on the premium connection sealability are analyzed. The result shows that the contact pressure and VME stress of cylinder/sphere sealing structure can meet the sealing requirements. The paper can provide a theoretical guidance for sealing structure design optimization of premium connection.

premium connection; cylinder/sphere structure; contact pressure; finite element method(FEM)

2016-04-09；

2016-08-18

中国石油天然气集团公司资助项目(2014F-1501)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2013KJXX-07)

朱强(1976—)，男，陕西三原人，郑州大学讲师，博士，主要从事机械结构研究，E-mail: zhuqiang@zzu.edu.cn.

1671-6833(2016)05-0082-04

TE931.2

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.05.016