基于ISO 13679热循环试验要求的套管特殊螺纹强度分析

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(1.陕西国防工业职业技术学院，陕西 户县 710300；2.西安石油大学，西安 710065；3.西安摩尔石油工程实验室，西安 710065)

·试验研究·

基于ISO13679热循环试验要求的套管特殊螺纹强度分析

白松1，张建兵2，杜志杰3

(1.陕西国防工业职业技术学院，陕西 户县 710300；2.西安石油大学，西安 710065；3.西安摩尔石油工程实验室，西安 710065)

依照ISO 13679《套管和油管接头试验程序推荐作法》CAL Ⅲ C系热循环试验程序，采用Abaqus有限元分析软件，对JIP ø177.8 mm×10.36 mm规格P110钢级新型套管特殊螺纹的强度进行分析评价。考虑接触问题计算的非线性，建立了套管特殊螺纹热力耦合有限元模型，对接头的C系加载路径进行了简化，计算了接头在10个阶段的应力场与温度场耦合作用下的热应力。结果显示：随着温度由低温到高温的变化，特殊螺纹部分螺牙、接箍中面等塑性变形加大；而局部由于高、低温反复作用可能会产生组织的变化，使先前本应屈服的区域强度反而提高，但特殊螺纹整体上在C系加载完成后仍能保持结构完整；高温状态，材料的屈服强度降低，其变形更多的处于弹性变形阶段，室温状态时特殊螺纹的关键部位发生屈服的可能性更大。通过计算机仿真评价方法，按照ISO 13679的试验内容和程序对特殊螺纹进行评价，可以大幅节约时间与经济成本，可在一定程度上代替接头的实物评价。

套管；特殊螺纹；强度；热-力耦合；有限元

随着油气开采不断向深井、超深井、大位移井、丛式井等新型复杂井发展，油气田对油套管的性能要求也越来越高，而油套管特殊螺纹作为连接管柱的重要环节，其性能的可靠性至关重要。

一般分析特殊螺纹性能的方法有解析法计算、实物试验验证、有限元分析等。由于特殊螺纹几何外形的复杂性，解析法在多种假设的条件下仍很难建立精确的计算模型。试验法主要以ISO 13679 《套管和油管接头试验程序推荐作法》[1]，采用全尺寸试验，对特殊螺纹进行性能进行评价[2]。

ISO 13679对试验设备要求极高，对试验所用试样、试验条件的要求苛刻。同时，国内仅有国家石油管材质量监督检验中心和国家石油天然气管材工程技术研究中心等极少数单位具备开展该评价试验的硬件条件和检验资质。

近年来，国外的住友金属、泰纳瑞斯、GE石油天然气集团等[3-5]机构的相关学者已将有限元分析技术应用于特殊螺纹的气密封性评价、疲劳设计、强度分析等方面。国内高校学者如申昭熙、许志倩、祝效华、窦益华、高连新等[6-13]也已将计算机有限元分析用于特殊螺纹的研究工作之中。他们大多着眼于特殊螺纹的结构对其某一方面的技术参数的影响规律的分析，这些研究对新型螺纹油套管的开发提供了很好的指导价值，但按照ISO 13679的试验内容和程序对油套管特殊螺纹性能所进行的系统性的仿真评价还基本没有涉及。

本文以JIP ø177.8 mm×10.36 mm P110钢级的套管特殊螺纹为分析对象，按照ISO 13679的C系热循环试验程序和方法，对该套管螺纹的强度进行分析。

1 C系热循环试验简介

热循环试验的目的是评估在服役条件下，以及拉伸和内压加速作用下的特殊螺纹在热循环时泄漏的可能性，而在实际试验过程中特殊螺纹在热力耦合作用下其强度早已发生了变化。

热循环加载程序如图1所示。对于试验高温段，在要求温度或更高温度下至少保持5 min；对于试验低温段，在要求温度或更低温度下至少应保持5 min。对于CAL Ⅱ、Ⅲ级试验，试验高温应不小于135 ℃(275 ℉)；对于CAL Ⅳ级试验，试验高温应大于或等于180 ℃(356 ℉)。对于所有适用等级的试验，试验低温应小于或等于52 ℃(125 ℉)。每个循环最短时间为30 min，循环可连续进行，也可间断进行。

室温下最大机械载荷规定：①拉伸载荷取80%管体(或接箍)屈服载荷和80%特殊螺纹试验包络线载荷之中的较小者，两者都是基于材料室温屈服强度得到的；②内压载荷取95% VME管体(或接箍)屈服载荷和95%特殊螺纹试验包络线载荷之中的较小者，两者都是基于80%拉伸载荷和室温下材料屈服强度得到的。

试验高温最大机械载荷规定：①内压与室温下的内压相同；②拉伸载荷取90% VME管体(或接箍)屈服和90%特殊螺纹应力试验包络线载荷之中的较小者，两者都是基于材料室温屈服强度得到的。

2 C系载荷设计

考虑到实物试验操作的复杂性，试验周期长，所以在利用有限元方法模拟C系试验时，简化试验步骤，缩短试验时间。将C系试验程序设计为室温下的内压和拉伸交变作用下5次循环、在内压和拉伸作用一定时施加循环热载荷50次、高温下的内压和拉伸交变作用下5次循环，然后再重复热循环50次和室温下载荷循环5次，为方便载荷过渡，模仿实物试验情况设计了升温、保载、卸载、冷却等过程。针对JIP-7特殊螺纹的试验载荷如表1。

表1 套管特殊特殊螺纹C系热循环试验载荷

表1(续)

3 套管特殊螺纹热力耦合模型

采用有限元方法模拟计算热力耦合问题有两类方法：①间接耦合法。是指按照顺序进行多次不同场分析，热力耦合中先计算在温度场中隔单元的节点温度，然后将节点温度当作第2次计算的初始条件，在应力场分析中实现耦合；②直接耦合法。指利用同一计算环境中包含多个场变量，利用能够实现不同场自由度的单元实现耦合，通过一次计算得到分析的结果。本文计算过程中采用准静态计算，分析步骤是在恒定温度下设定的，而不是温度场和应力场的解分离，温度场和位移场之间的两个变量相互影响。

根据以前的试验规律，随温度升高材料的屈服强度降低，塑性变形加强，故假定在高温段管体和接箍材料的屈服强度下降10%，塑性扩大2倍。材料力学性能如表2。套管特殊螺纹管体和接箍材料的密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，引入线膨胀系数、比热容系数、泊松比、弹性模量等参数，如图2。

表2 套管特殊特殊螺纹与温度相关的材料力学性能

a 泊松比

b 弹性模量

c 线膨胀系数

d 比热系数

为提高计算效率和精度，采用四节点双线性轴对称四边形缩减积分单元CAX4R，而CAX4R单元是能够同时承担位移场与温度场自由度的单元[14]。由于接触问题本身边界条件复杂，具有不确定性，因此采用缩减积分单元可能会出现的单积分点线性单元受力变形没有产生应变能的情况(零能量模式)，此时单元没有刚度，所以不能抵抗变形，故采用沙漏控制hourglass control，施加虚拟的刚度以限制沙漏模式的扩展[15]。在网格划分时，考虑到隐式求解的计算成本与自由度数的平方成正比，故只在套管特殊螺纹的螺纹牙处、密封面、台肩处局部细化。最终得到管体部分单元数5 043个，节点数5 366个，接箍部分单元数5 220个，节点数5 569个，有限元网格模型如图3所示。

图3 套管特殊螺纹有限元网格模型

4 结果及分析

套管特殊螺纹结构上发生损伤的部位发生在不完整螺纹段、特殊螺纹端面顶点附近、接箍中面等，故在对特殊螺纹C系热循环分析时，重点讨论第1、17牙螺纹、密封面和台肩面。

套管特殊螺纹在C系热循环下关键位置等效应力值如表3，等效应力云图如图4。

第1次室温下载荷循环5次后等效应力分布如图4a，可见特殊螺纹外螺纹最后几牙螺纹局部发生了屈服，但整体应力分布比较均匀、合理；加热升温后等效应力分布如图4b，明显发现接箍中部、管体端部应力相对较高，局部单元已屈服，接箍中面有胀破的趋势。对比图4a与4b可见，由于该特殊螺纹设计的接箍材料强度低于管体，温度升高后特殊螺纹接箍可能先发生破坏，加热升温过程是伴随着卸载的，此时特殊螺纹管端附近应力反而增大至784.5 MPa，螺纹牙应力下降至300.0 MPa左右。分析其原因，是由于温度升高，特殊螺纹材料屈服强度降低，变形增大，而在施加拉伸载荷的一侧卸载，螺纹段产生的变形反而传递到管端，使密封面与台肩面产生压缩效应，应力增大。

第1次保载后，等效应力分布如图4c，保载施加拉伸载荷后特殊螺纹整体应力水平明显提高，在第1、16、17、18牙螺纹附近、接箍端部附近都有局部屈服发生，但特殊螺纹整体变形并不明显。

第1次拉伸+内压下热循环50次后等效应力分布如图4d。与图4c对比可见，50次温度循环下整体应力水平反而降低，管体部分应力水平稍有提高，且分布不均。分析可知高、低温载荷反复作用50次后，特殊螺纹先前屈服部分可能已经发生组织变化，部分区域强度已将提高，而管体由于整体尺寸较长，强度变化区域也不一致，所以出现应力分布不均现象。

卸载后温度载荷并没有变化，其应力分布如图4e，特殊螺纹整体应力变化降低，只在管体端点附近和接箍中部表面有发生屈服的趋势，特殊螺纹管端附近应力增大至755.0 MPa，螺纹牙应力下降至250.0 MPa左右，原因类似于加热升温过程。高温下拉伸与内压载荷循环5次应力分布如图4f，特殊螺纹应力分布合理，没有屈服现象发生，特殊螺纹整体应力水平都有所增大，管端附近稍微减小为748 MPa，这是由于高温下再次施加载荷后特殊螺纹螺纹段再次承受较大载荷，螺纹牙相互之间的压缩变形增大，传递至管端后密封面和台肩面承受的压缩变形减小，应力水平稍有下降。

第2次保载，施加了拉伸载荷后等效应力分布如图4g，与图4f对比可见，特殊螺纹应力变化比较明显，只在螺纹段最后几牙附近产生了局部屈服，分析可知施加轴向载荷对螺纹连接的影响较大，尤其对螺纹牙的轴向剪切作用。

第2次拉伸+内压下热循环50次后等效应力分布如图4h，与图4d对比可见，特殊螺纹应力整体变化水平不高，反而第2次在接箍中面的屈服趋势更明显，对比第1次拉伸+内压的热循环50次，发现管端密封面与台肩面应力稍有下降，变形仍处于弹性阶段，这是由于在多次循环载荷作用下，特殊螺纹材料处于疲劳损伤状态。

冷却后特殊螺纹的等效应力分布如图4i，冷却的过程性相当于卸掉包括温度在内的所有载荷，特殊螺纹应力水平明显降低。

第2次室温下载荷循环5次后等效应力分布如图4k，特殊螺纹应力水平明显下降，各部分布都较合理，仅在接箍中部外表面出现应力集中，但不会发生断裂。

表3 套管特殊特殊螺纹C系热循环下关键部位等效应力值 MPa

a 第1次室温下载荷循环5次后等效应力分布

b 加热升温后

c 第1次保载后

d 第1次拉伸+内压下热循环50次后

e 卸载后

f 高温下载荷循环5次后

g 第2次保载后

h 第2次拉伸+内压下热循环50次后

i 冷却后

k 第2次室温下载荷循环5次后

5 结论

1) 按照ISO 13679 CALⅢ C系热循环试验的实物评价程序和要求，采用有限元方法对套管特殊螺纹进行了计算机仿真评价。接头连接的边界条件复杂，属于弹塑性接触非线性问题，本次分析又考虑了温度场和应力场的耦合作用，分析计算具有一定的代表性和难度。限于篇幅，本文仅进行了热循环试验评价，未进行载荷包络线评价，但作为一种方法上的探索，足以说明采用有限元仿真评价方法按照ISO 13679程序要求进行复杂载荷下特殊螺纹的强度分析是可行的，采用仿真评价手段可以大幅地减少特殊螺纹力学评价的经济成本和时间。

2) 在第1、17牙螺纹、密封面、台肩面等部位可能发生屈服，整个过程中应力水平变化较大。随着温度由低温变至高温的变化，管体与接箍的屈服强度下降，部分牙螺纹、接箍中面等塑性变形加大，而局部由于高、低温反复作用可能会产生局部组织的变化，使先前本应屈服的区域强度反而提高，但整体上在C系加载完成后仍能保持结构完整。说明特殊螺纹要想安全通过C系热循环试验，有必要改善不完整螺纹段表面的强度，增强接箍所用材料的强度。

3) 套管特殊螺纹在C系热循环作用下的高温状态，材料的屈服强度降低，其变形更多的处于弹性变形阶段，室温状态反而特殊螺纹的关键部位发生屈服的可能性更大。但考虑到C系载荷循环的交替进行，实际上反映在特殊螺纹上的塑性损伤积累作用更加明显，特殊螺纹实际的变形也更大。

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StrengthAnalysisofCasingPremiumJointBasedonISO13679ThermalCycleTest

BAI Song1，ZHANG Jianbing2，DU Zhijie3

(1.ShaanxiInstituteofDefenseIndustryProfessionalTechnology，Huxian710300，China；2.Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；3.Xi’anMaurerPetroleumEngineeringLaboratory，Xi’an710065，China)

In this paper，according to the“ISO 13679-casing and tubing joint test procedure recommended practice”the C series thermal cycle test procedure，abaqus finite element analysis software was used to evaluate the strength of a new type of casing special joint JIP ø177.8 mm× 10.36 mm P110.Considering the nonlinearity of the calculation of the contact problem，a finite element model of the special joint of the casing is established.The C-loading path of the joint is simplified，and the thermal stress of the joint under the coupling of the stress field and the temperature field is calculated and analyzed.The results found in this research include：As the temperature changes from low temperature to high temperature，the plastic deformation of the joint part of the thread and the middle of the coupling increases，and the local and high temperature may cause the change of the organization structure due to the high and low temperature.But on the whole，after the completion of the C series thermal cycle test is completed to maintain the integrity of the structure.In the high temperature state，the yield strength of the material decreases，and its deformation is more in the elastic deformation stage.At room temperature，the key part of the special buckle is more likely to yield.It is recognized that proper computer simulation can be applied to effectively evaluate the gas-tight seal connections in accordance with test content and procedures of the ISO 13679，which greatly saves time and economic cost and can replace the evaluation on full-scale test of connections to a certain extent.

casing；premium joint；strength；thermo-mechanical coupling；finite element

1001-3482(2017)06-0040-07

2017-06-01

国家自然科学基金项目“膨胀套管螺纹连接几何、材料与接触非线性工作特性研究”(51074126)；陕西省教育厅项目“石油膨胀套管螺纹连接结构与密封完整性非线性数值模拟研究”(11JK0792)

白 松(1991-)，男，硕士，2017年毕业于西安石油大学，主要研究方向为计算机辅助工程，E-mail：howard257@163.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.009