有限元模拟仿真在特殊螺纹接头设计开发中的应用

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(宝山钢铁股份有限公司 上海 201900)

·开发设计·

有限元模拟仿真在特殊螺纹接头设计开发中的应用

孙建安，王琍，张忠铧

(宝山钢铁股份有限公司 上海 201900)

特殊螺纹接头在油气开采中起着连接并密封管柱的作用，在开发过程中需要经过严格的测试。而有限元方法的应用可以减少这些环节，提高效率。通过有限元分析方法研究特殊螺纹接头的结构完整性及密封完整性，分析了宝钢BGT2特殊螺纹接头在100%压缩载荷以及循环载荷作用下的接头性能，以及同规格产品在小接箍尺寸下的接头性能。分析结果表明宝钢BGT2产品满足100%压缩载荷要求，同时在循环载荷下具有稳定的气密封能力；同规格小接箍产品与常规产品相比较密封性能未有下降。

油井管；特殊螺纹接头；有限元

0 引 言

在油气开采中特殊螺纹接头产品的应用越来越广泛。与API标准螺纹接头产品相比，特殊螺纹接头具备更高的连接强度，更好的密封性能，能够满足管柱在复杂井况条件下面临的拉伸、压缩、扭转、外压、内压、弯曲、高温、腐蚀等苛刻载荷条件。

特殊螺纹接头产品一般由三部分组成：齿形、密封结构、拧接控制台肩[1]。这三部分包含了众多的尺寸参数，例如齿形中包含参数有螺纹中径、齿高、螺距、锥度、齿厚、齿形角度、圆弧半径等；密封结构的主要设计参数有径向尺寸、长度、角度、圆弧半径、过盈量等；拧接台肩主要有直角台肩和负角度台肩以及双台肩等结构形式，主要参数有角度、直径尺寸等。这些参数之间相互影响、相互作用，存在多种耦合关系。以接头连接效率为例，它与接头危险截面尺寸直接相关，而危险截面尺寸又受到螺纹中径影响；除此之外，螺纹本身形状、齿高、啮合长度也对连接效率产生重大影响。因此，特殊螺纹接头设计是一个非常复杂的过程，需要充分考虑到各个参数的影响，从而实现接头的最优设计。

在这个过程有限元模拟仿真发挥了重大作用。借助有限元工具可以完成螺纹接头在不同工况条件下的性能分析，对不同尺寸参数进行对比验证，实现接头优化设计。同时，利用有限元模拟仿真可以减少特殊螺纹接头实物验证试验，提高设计开发效率。

1 特殊螺纹接头产品

特殊螺纹接头产品种类繁多。美国的Atlas Brandford和Hvdril公司于20世纪30年代初最早成功开发出特殊螺纹接头，并申请了专利，之后各大公司相继开发出各自品牌型号的特殊螺纹接头。目前，国外已有30多家著名的油井管制造厂商开发了100多种享有专利权的特殊螺纹类型，例如VAM系列、Hunting系列、Tenaris Hydril系列、FOX系列等产品。

国内特殊螺纹接头生产厂家主要有宝山钢铁股份有限公司、天津钢管集团股份有限公司、衡阳华菱钢管有限公司等。

宝山钢铁股份有限公司从事特殊螺纹接头产品设计、开发、制造已经有近二十年经验，产品涵盖了接箍式和直连型两大类十多个系列，占领了国内较大市场份额，远销海外十多个国家。宝钢特殊螺纹接头产品有BGT1、BGT2(产品结构如图1所示)、BG-FJ、BG-PT、BG-PC、BHC等系列，具体产品信息见表1。

图1 BGT2产品结构示意图

接头名称类型特点密封特性应用范围规格范围/in*拉伸压缩内压外压BGT2接箍式最优性能●油管、套管、尾管、回接管2～14100%100%100%100%BG-PT/PC接箍式经济型产品◎油管、套管、尾管、回接管2～13100%100%100%100%BHC接箍式快速上扣○套管8～20100%100%100%100%BGT2C接箍式高抗挤毁●套管5～7100%100%100%100%BG-DWC接箍式钻井用套管●套管7～13100%100%100%100%BGT-2W接箍式快速上扣●套管9～13100%100%100%100%BG-FJ直连型最大环空●套管、尾管2～1145%～58%30%100%100%BGT2T半直连型高抗扭●作业油管2～4100%100%100%100%BG-CC半直连型大环空◎作业油管、尾管2～670%～80%60%100%100%BG-FC直连型最大环空◎作业油管、尾管2～1152%～60%40%100%100%

注：●——高气密封产品；◎——低压气密封产品；○——非气密封产品。*1 in=25.4 mm

天津钢管集团股份有限公司主要产品有TP-CQ、TP-G2等特殊螺纹接头产品，衡阳华菱钢管有限公司公司主要有HSM-1、HSM-2等特殊螺纹接头产品，应用也较为广泛。

2 特殊螺纹接头有限元模型的建立

宝钢在特殊螺纹接头开发过程中充分利用了有限元工具。有限元方法是利用数学近似对真实物理系统进行模拟的计算方法。通过合理设计模型可以非常高效的解决复杂的实际问题。

2.1 模型简化

特殊螺纹接头是一个复杂的三维结构，螺纹分布在一个是空间螺旋锥面上，且带有螺旋升角。对特殊螺纹接头的模拟仿真可以分为三维空间模型和二维轴对称模型两种。三维空间模型可以较好地模拟螺纹的空间布置及螺旋升角，同时能够真实模拟上扣旋转拧入过程。然而由于三维模型网格数量多接触复杂，计算效率低，同时网格细化不足，精度较差，尚难以满足工程应用需要[2]。

通常的特殊螺纹接头都简化为二维的轴对称平面问题进行处理。通过这种简化可以大幅度提高网格精细程度和计算效率，满足结构设计需求[3],如图2所示。

2.2 载荷条件

特殊螺纹接头在实际使用中主要面临的载荷有拉伸、压缩、外压、内压、弯曲、扭转、高温等。其中拉伸、压缩、外压、内压及高温可以利用边界载荷较容易模拟；弯曲载荷通过对轴对称模型施加非轴对称载荷可以获得，扭转通过用施加过盈量的方法近似模拟[4,5]。

图2 特殊螺纹接头有限元模型

2.3 网格划分

划分网格是有限元分析的重要环节，网格的数量和质量将直接影响有限元模型求解的精度和效率。特殊螺纹接头尺寸一般达到100～500 mm，而其中密封面、螺纹等细微结构尺寸精度达到0.01 mm，所以特殊螺纹接头有限元模型网格划分中应合理考虑网格密度，设置一定的疏密过渡原则，既要避免网格数量过少影响局部计算精度，也要防止因网格过多计算效率低不易收敛[6]。一般密封面结构网格尺寸0.10 mm左右较为合适；螺纹结构网格尺寸0.30 mm较为合适；其他部位网格可适当稀疏。

2.4 材料模型及边界条件

为保证分析的结果和精度，有限元模型中材料属性及约束条件应尽可能与实物相吻合。为此可以针对具体待验证产品进行材料性能分析，从而得到比较精确的结果。

3 有限元模拟仿真的应用

3.1 压缩载荷下特殊螺纹接头性能分析

压缩载荷是油井管在井下服役过程中最常见的载荷条件之一，特别对于套管而言，在遇阻、固井、受热膨胀等条件下经常承受压缩载荷。对于套管特殊螺纹接头而言在最大压缩载荷条件下的密封性能是产品的重要性能指标之一[7]。宝钢BGT2产品在设计开发过程中通过结构优化提升了接头本身抗压缩能力，在100%管体压缩载荷条件下保证了完好的密封性能。以宝钢某规格 BGT2产品为例对接头100%压缩载荷条件下受力状态进行分析，结果如图3所示。

图3 宝钢某规格BGT2接头100%压缩载荷下应力应变状态

接头压缩载荷的作用下，接箍环向受拉应力作用，接触段管体受压应力作用。在100%加载状态下接头未发生变形或失效。

参照ISO 13679—2002标准CAL IV等级对该该规格BGT2接头进行加载，加载点见表2及图4。不同载荷条件下接头的接触积分强度见图5。

表2 参照ISO 13679—2002标准的加载点载荷条件

图4 参照ISO 13679—2002标准的加载点示意图

图5 某规格BGT2接头不同载荷条件下的接触积分强度

通过图5可知该规格BGT2接头经过100%压缩加载仍能保持完好的密封面接触条件，具备密封能力。表3对比了国内外几种主流接箍式特殊螺纹接头的最大压缩载荷与管体屈服强度的百分比，从中可以看出宝钢BGT2接头抗压缩性能优于国内外同类产品。

表3 不同螺纹接头的最大压缩载荷

3.2 循环载荷下特殊螺纹接头性能分析

油套管在服役过程中所承受的载荷都不是一成不变的，而是随时间在各种载荷之间切变。这种情况就需要考虑特殊螺纹接头在不同载荷交变施加下的承载能力[8,9]。而借助有限元工具可以非常便捷地完成循环载荷作用下的接头性能分析。图6展示了同规格BGT2接头在循环施加ISO 13679—2002标准CAL IV等级载荷要求下的密封面接触积分强度。加载点参照图4及表2进行循环加载，循环5次。

图6 循环加载下接头的密封面接触积分强度

从图中可以看出该规格BGT2接头在循环加载条件下仍然具备完好的密封能力，从第2次加载开始以后的多次循环过程中密封面保持了稳定的接触状态，未发生变化。

3.3 特殊间隙接箍特殊螺纹接头性能分析

一般情况下，固井间隙(单边)最小应该不小于12.7 mm，否则固井质量难以保证[10]。由于普通套管的接箍外径一般比管体大12.7～38.1 mm，这就导致接箍的环空间隙值远低于管体。油气田经常选择接箍外径较小的特殊间隙套管(Special Clearance Coupling)，以增大接箍部位的固井间隙提高固井质量[11]。为此宝钢针对性开发了BGT2-SC系列特殊间隙接箍产品。图7为同一规格BGT2-SC90接头在ISO 13679—2002标准CAL IV等级要求载荷条件下的密封面接触积分强度。加载条件见表4及图8。

图7 某规格BGT2-SC90接头密封面接触积分强度

加载点轴向拉/压载荷内压外压kNkipsMPapsiMPapsi加载点描述123115200000T(85%)2231152083.41208800T(85%)+IP3217548987.11262700T(80%)+IP4114325797.31411000IPmax500891290400T(0)+IP6-907-20471.71039000C(33%)+IP7-1812-40743623300C(67%)+IP8-2311-52018.9274700C(85%)9-2311-5200000C(85%)10-2311-5200068.79955C(85%)+EP11-1359-3060068.79955C(50%)+EP12000068.79955C(0)+EP138972020058.88532T(33%)+IP1418224090037.05366T(67%)+IP

对比图5和图7可以看出，BGT2-SC系列接箍虽然减少了接箍外径，降低了接头的拉伸强度，但其密封接触状态变化不大，仍然满足100%管体密封能力要求。

4 结 论

1)使用有限元工具对宝钢BGT2系列特殊螺纹接头产品进行了分析和研究。分析结果表明宝钢BGT2系列特殊螺纹接头在100%压缩条件下仍具有较好的密封性能，满足100%压缩载荷承载要求。

2)通过有限元方法对宝钢BGT2系列特殊螺纹接头进行循环载荷加载，分析结果表明在循环载荷条件下该接头具备稳定的气密封性能。

3)利用有限元方法对于相同规格不同接箍外径的BGT2产品进行了分析，分析结果表明常规外径接箍和小尺寸外径接箍密封性能相当，满足产品使用要求。

4)在宝钢特殊螺纹接头产品开发过程中有限元工具可以直观的分析和研究特殊螺纹接头内部受力情况，有助于对特殊螺纹接头性能的研究和探索。

[1] 王 琍, 刘玉文.计算机仿真和全尺寸实物试验在特殊螺纹接头油套管研究开发中的应用[J].宝钢技术, 2002，20(5):38-42.

[2] 杨登波.套管钻井中套管螺纹连接的抗扭和密封性能仿真分析[D].中国石油大学(华东), 2013.

[3] 王 珂, 王双来, 朱世东,等.J55特殊螺纹接头油管的强度性能分析[J].机械强度, 2016，38(4):799-804.

[4] 齐俊林, 张 宏.非API标准工况下套管接头的强度分析[J].石油机械, 1999，27(4):38-41.

[5] ASSANELLIA P, DVORKIN E N.Finite element models of OCTG threaded connections[J].Computers & Structures, 1993, 47(4-5):725-734.

[6] 时 虹, 袁 境, 严厚明.浅谈有限元分析中划分网格的技巧[J].装备制造技术, 2010，38(11):143.

[7] 李 斌, 杨智春.圆螺纹套管接头的抗压缩极限载荷分析[J].机械强度, 2003, 25(2):167-169.

[8] 宋利滨, 马 源, 张烟生.上扣扭矩对储气井疲劳性能的影响[J].化工机械, 2013, 40(6):776-779.

[9] 姜 彦.特殊扣石油管螺纹工作性能分析及对比研究[D].西安石油大学, 2007.

[10] 钻井手册编写组.钻井手册[M].石油工业出版社, 1990.

[11] 高连新, 汪华林, 张 毅,等.窄间隙特殊扣套管的使用性能分析[J].天然气工业, 2007, 27(11):58-60.

ApplicationofFEAinDesignandDevelopmentofPremiumConnections

SUNJian′an,WANGLi,ZHANGZhonghua

(BaoshanIron&SteelCo.Ltd.，Shanghai201900,China)

Premium connections connect and seal tubular strings in oil and gas exploitation, and would undergo rigorous testing in the design process. The FEA method can reduce the development cost and improve the development efficiency. The structural integrity and seal integrity of Baosteel BGT2 premium connections were studied by finite element method with 100% compression load and cyclic load. Smaller OD connections were also analyzed. The analysis results show that the BGT2 products meet the requirements of 100% compression load, and have a stable gas sealing capacity under cyclic load. The sealing performance of the products with smaller OD is equal to the regular ones.

tubular string; premium connection; FEA

孙建安，男，1983年生，工程师，2008年毕业于东北大学机械设计及理论专业，目前主要从事油套管特殊螺纹接头产品技术研究。E-mail:sunjianan@baosteel.com

TE931

A

2096-0077(2017)06-0009-06

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.003

2017-04-10

屈忆欣)