套管偏梯扣极限压力失效仿真研究

摘 要：本文针对一种新开发偏梯扣Φ88.9×6.45mm p110采用有限元法分析了其在极限压力载荷下的应力情况，同时计算极限失效载荷，分析了失效形式。结果发现：接头在标准上扣后应力分布合理，极限压力下接头表现出管体爆破或压溃，失效载荷大于API值。说明该接头扣型设计能够承受较强的径向力。

关键词：偏梯扣；极限失效；应力；有限元；失效载荷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.042

1 引言

Φ88.9×6.45mm p110 偏梯扣是一种新开发的油套管连接扣型，具有抗扭性能佳、气密封性好、抗爆破能力强等优点，还能和API普通接头交换使用。与API NU 油管相比，该接头工厂端与现场端采用了相同的螺纹牙型：牙型的螺距6牙/英寸，外螺纹齿高1.016mm，内螺纹齿高1.219mm，锥度1：16，螺纹承载面3°，导向面10°。本文简化了《ISO 13679：石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》[1]的极限承载试验程序，分析了该扣型接头在极限压力载荷的应力情况，求出极限失效载荷。

2 有限元模型

2.1 套管接头的受力特点

油套管螺纹所受的主要载荷有以下几种[2-4]：石油管柱在油井中工作主要承受以下几种力学载荷：上扣时的旋转扭矩、管柱自重的轴向力、管柱中循环液体的内外压力。本文主要分析套管上扣后受到轴向压力极限载荷。

2.2 网格模型

由于接触问题本身边界条件复杂，具有不确定性，而又要保证计算的精度与效率，采用四節点轴对称四边形缩减积分单元CAX4R。划分网格后最终得到管体部分单元数10451个，接箍部分单元数9873个，有限元网格模型如图1所示。其中套管材料为钢级P110，弹性模量210000MPa，泊松比0.3，管体屈服极限758MPa，管体压力极限960MPa。

3 计算结果

（1）内压至失效。给接头持续的内压作用后可以发现连接的管体出现了爆破现象，见图2。进一步计算失效载荷为124.6MPa，该值比ISO10400[5]的规定值大（ISO10400本规格套管的抗内压强度为110MPa）。从计算结果中可以发现，管体应力始终小于接箍，当接头管体内壁出现屈服时，接箍啮合起始1、2压与不完整段末尾两牙处于较高应力状态，随着内压载荷不断加大，接头管体压溃失效，接箍整体应力也在增大，中面受到挤压，应力增大明显。

（2）外压至失效。给接头不断增加外压载荷，直到管体出现压溃现象，见图3。进一步计算失效载荷为140MPa，与ISO10400[5]标准给出的值相当。外压持续加载过程中，接头管体的应力始终大于接箍，当接头管体内壁大面积出现屈服时，接箍处于较低应力状态，随着外压载荷不断加大，接头管体压溃失效，接箍也只是在两端出现应力增大的趋势。

4 结论

通过分析可以得到以下结论：

（1）接头应力分布趋势合理。但由于接头强度较高（110钢级），拧紧后整体应力水平偏高，可考虑适当降低螺纹过盈量。

（2）接头在极限压力载荷作用下的失效表现形式分别为管体爆破和管体压溃，且其抗外载能力大于API保证值，说明该型套管扣型设计能够承受较强的径向力。

参考文献：

[1]ISO 13679：2002.Petroleum and natural gas industries—Proceduresfor testing casing and tubing connections[S].

[2]张建兵，白松，李双贵，陈晓华.《ISO 13679：石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》的仿真方法[J].天然气工业，2017，37（10）：66-72.

[3]白松，张建兵，杜志杰.基于ISO 13679热循环试验要求的套管特殊螺纹强度分析[J].石油矿场机械，2017，46（06）：40-46.

[4]李渭亮，白松，陈晓华等.基于ISO 13679的套管特殊螺纹极限承载能力仿真评价[J].钢管，2017，46（03）：66-70.

[5]ISO 10400：2007.Petroleum and natural gas industries—Formulaeand calculations for casing， tubing， drill pipe and line pipeproperties[S].

基金简介：陕西国防工业职业技术学院校本项目“基于热-力耦合模型的套管螺纹连接安全性评价”（编号：Gfy18-31）

作者简介：白松（1991-），男，陕西商洛人，硕士研究生，助教，研究方向：计算机辅助工程。