基于ISO 13679 B系试验载荷的特殊螺纹接头密封性能研究*

(西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065)

随着复杂环境油气田开发的不断深化，井下环境越发严苛，特殊螺纹接头代替传统API接头，取得了广泛的关注和应用。特殊螺纹接头是油、套管柱连接的主要部件，同时也是受力薄弱部位，一旦发生密封失效将造成巨大的经济损失，因此特殊螺纹接头的质量及性能检验十分关键[1-2]。特殊螺纹接头主要通过密封面和扭矩台肩结构实现多级密封的目的[3]。ISO 13679[4]是国内外广泛采用的螺纹接头性能评价标准，但全尺寸试验周期长、花销高，且对实验室资质及试验设备要求较高。另外，由于接头材料的塑性变形、特殊螺纹结构接触的复杂性以及载荷工况的多样性，难以用解析解描述接头密封完整性问题，考虑到有限元方法的经济性与便捷性，因此，有必要借助于有限元数值模拟软件实现特殊螺纹接头密封可靠性分析。

MURTATISU等[5]通过物理试验和数值模拟方法研究了静载作用下金属/金属密封面的密封性能与接触应力，认为当金属密封参数大于临界值时，特殊螺纹连接具有足够的密封能力。XIE[6]对MURTATISU得到的公式进行优化，提出了高温高压油套管特殊螺纹连接时金属/金属密封临界指数的计算方法。曹梦雨等[7]采用数值模拟方法，建立特殊螺纹接头二维轴对称模型，考察了轴力和内压对密封性能的影响。申昭熙等[8]分析了随机变化的锥度、密封直径、载荷等情况下特殊螺纹接头密封面接触压力的分布规律。祝效华等[9]简化螺纹升角，分析了弯矩作用下接头的应力分布状态以及不同螺纹参量对应力分布规律的影响，建议弯曲段螺纹进行选型时使用较大螺纹锥度及承载面角度的螺纹接头。狄勤丰等[10]使用显式动力学有限元法分析了上扣过程中螺纹接头的合力与合力矩的变化、轴向位移以及各螺纹牙上的扭矩，及不同载荷对接头应力分布情况的影响。窦益华等[11-12]分析了不同上扣扭矩和弯曲载荷作用下特殊螺纹接头的应力分布，认为最佳上扣扭矩下特殊螺纹接头的密封性及连接强度最好；随弯曲载荷的增大，接头螺纹段的黏扣趋势增加。孙建安和王琍[13]通过有限元及实物实验对比分析了符合ISO 13679试样要求的接头上扣特性，研究了接头不同尺寸参数对上扣扭矩曲线的影响。XIE等[14]通过模拟ISO 13679中的上扣试验及载荷包络线试验分析了结构参数对接头密封强度及可靠性的影响。刘文红等[15]建立特殊螺纹接头的平面模型，进行了ISO 13679中载荷包络线试验模拟，并利用Kriging模型分析了危险载荷点下接头的密封可靠性。杨向同等[16]依据ISO 13679标准中上/卸扣试验程序对黏扣频发的某型特殊螺纹油管接头进行了试验，发现不规范卸扣会引发油管黏扣，据此提出了预防措施及建议。

上述文献借助有限元软件对特殊螺纹接头的密封性能进行了仿真分析，为特殊螺纹接头密封性能研究提供了很好的思路，但为了提高运算效率，建模过程中多进行了结构简化，如忽略螺纹升角或建立二维有限元模型，少有对ISO 13679中有弯曲的B系试验进行模拟，或将B系试验中的弯曲载荷等效为轴向载荷计算。故本文作者在建模时考虑特殊螺纹接头螺纹升角的影响，借助ABAQUS有限元软件建立了某特殊螺纹接头的三维有限元模型，分析了ISO 13679 CAL IV级有弯曲B系试验载荷下接头密封面上的应力分布及接触压力分析，作为衡量其密封性能的依据。

1 特殊螺纹接头的密封机制

与传统API接头依靠螺纹配合来实现密封不同，特殊螺纹接头由主密封面的金属/金属过盈配合和扭矩台肩的辅助作用保证密封性能。流体所产生的局部阻力与泄漏路径长度和间隙截面积存在如下关系[17]：

(1)

式中：p为接触压力，Pa。

MURTAGIAN等[5]通过研究金属/金属密封面的密封性能与接触应力，提出螺纹接头密封性能的判据为

(2)

式中：L为密封长度，m；n为相关性指数，有密封脂时，n=1.2；无密封脂时，n=1.4。

2 B系载荷包络线试验简介

ISO 13679中载荷包络线试验的目的是评价高载荷及复合载荷时螺纹接头的密封性能是否保证处于安全界限。试验载荷路径有9个常规载荷点和5个弯曲载荷点，按逆时针-顺时针-逆时针的方向循环施加载荷；当接头与管体的压缩效率一样时，载荷点8与载荷点9重合。图1所示为考虑弯曲载荷时CAL IV级B系试验的加载路径。其中，路径1、路径2和路径3分别为100%VME包络线、95%VME包络线和试验加载路径。与弯曲载荷等效的拉伸/压缩载荷由40%管体屈服强度、40%接头屈服强度和19.7°/30 m狗腿度三者中的最小值确定。

图1 B系载荷包络线试验加载路径

3 特殊螺纹接头有限元模型建立

文中以φ88.9 mm×6.45 mm P110油管某特殊螺纹接头为研究对象，采用C3D8R六面体减缩积分单元划分网格，并对涉及接触的密封面及螺纹段进行细化[18],得到公扣接头处网格为42 998个,接箍处网格为45 701个,如图2所示。

图2 特殊螺纹接头有限元模型

4 特殊螺纹接头边界约束及外载施加

建模时面/面之间的接触需通过建立螺纹导向面处的接触对、螺纹承载面处的接触对，及密封面-台肩面处的接触对等3个面/面接触对实现。依据接触对的设置原则，将公扣接头的螺纹导向面、螺纹承载面及密封面-台肩面设置为从面。由于上扣时公扣接头相对于母扣接头会有比较大的转动量，将接触对的滑移属性设置为有限滑移。接箍端面的约束为固定约束；外载通过建立连续分布节点耦合来施加。依据ISO 13679 CAL IV级试验要求，可设计出表1所示的模拟载荷表。

表1 B系载荷包络线试验载荷

弯曲作用产生的轴向应力为

(3)

式中：D为外径，m；t为壁厚，m；M为弯矩，N·m；I为惯性矩，m4；Dleg为狗腿度，(°)/m。

5 特殊螺纹接头密封性能仿真结果

图3所示为考虑弯曲载荷时ISO 13679 B系试验中关键载荷点处接头的Von Mises应力云图。可见，螺纹段及密封面均不同程度地呈现了应力集中现象；接头的状态为一侧受拉、一侧受压；在受拉一侧靠近密封面部位处接箍上的Von Mises应力值较小；而在受压一侧管体端部的Von Mises应力值较大。接头Von Mises应力在第一象限沿载荷加载路径增大；而在第二象限沿载荷加载路径下降。

图3 考虑弯曲载荷作用时B系试验关键载荷点处接头Von Mises应力云图

5.1 沿环向路径Von Mises应力及接触压力分析

图4所示为在有弯曲载荷点处，接头密封面上的Von Mises应力沿环向路径的分布规律。可知，密封面上的Von Mises应力沿环向路径分布不均，整体呈现拉伸一侧值小而压缩一侧值大的分布状态。载荷点2B处拉伸侧Von Mises应力为297 MPa，压缩侧为602 MPa。载荷点3B处拉伸侧Von Mises应力为244 MPa，压缩侧为604 MPa。

图4 密封面上Von Mises应力沿环向路径的变化曲线

第二象限沿载荷加载路径，即随轴向压缩载荷的增加和内压的减小，考虑弯曲载荷作用时关键载荷点处密封面上Von Mises应力沿环向路径增大。接头上拉伸一侧的Von Mises应力由载荷点5B处的230 MPa增大至7B处的309 MPa；压缩一侧的Von Mises应力由载荷点5B处的605 MPa增大至7B处的713 MPa。最大Von Mises应力未超过材料的屈服强度，未发生塑性变形。

图5所示在密封面上沿同一环向路径的接触压力分布曲线。接触压力分布状态与Von Mises应力分布状态一致，均为在受拉一侧应力及接触压力数值较小，受压一侧应力及接触压力数值较大。不同的是，密封面处接触压力与Von Mises应力沿载荷加载路径的变化趋势相反。考虑弯曲载荷作用时密封面上的接触压力在第一象限沿载荷加载路径增大，接头上拉伸一侧的最小接触压力由载荷点2B处的375 MPa增大至3B处的448 MPa；压缩一侧的最大接触压力由载荷点2B处的2 840 MPa增大至3B处的3 150 MPa。

图5 沿同一环向路径密封面上接触压力曲线

考虑弯曲载荷时密封面上的接触压力在第二象限沿载荷加载路径减小。接头上拉伸一侧的最小接触压力由载荷点5B处的480 MPa降低至7B处的131 MPa；压缩一侧的最大接触压力由载荷点5B处的3 240 MPa降低至7B处的2 650 MPa。

5.2 沿锥度方向Von Mises应力及接触压力分析

为直观看出密封面上压缩侧和拉伸侧Von Mises应力的分布规律，沿密封面锥度方向等间距取7个节点，可绘制出如图6所示的沿长度方向的密封面处Von Mises应力变化曲线。可见，不同关键载荷点处，密封面处的Von Mises应力在压缩一侧和拉伸一侧沿锥度方向上的变化趋势一致。在拉伸侧，Von Mises应力沿密封面长度方向先增大后减小，在节点2处出现一定程度的应力集中。在第一象限载荷点处，密封面上Von Mises应力随轴向拉伸载荷的减小和内压的增大而减小；在第二象限载荷点处，密封面上Von Mises应力随轴向压缩载荷的增加和内压的减小而增大。对比载荷点5B和6B可知，轴向压缩载荷对密封面上Von Mises应力影响较大。

由图6(b)可见，压缩侧Von Mises应力沿载荷加载路径逐渐增大，沿密封面长度方向上节点2至节点4处Von Mises应力较大。载荷点7B处最大Von Mises应力高达769 MPa，发生了塑性变形。

图6 沿长度方向密封面处Von Mises应力变化曲线

图7所示为密封面拉伸段及压缩段最大接触压力变化曲线。

图7 密封面拉伸段及压缩段最大接触压力变化曲线

可见，在第一象限关键载荷点处密封面上最大接触压力沿载荷加载路径增大。拉伸侧最大接触压力由579 MPa增至608 MPa；压缩侧最大接触压力由2 810 MPa增至3 100 MPa。在第二象限关键载荷点处密封面上最大接触压力沿载荷加载路径减小，拉伸侧由617 MPa降低至409 MPa；压缩侧由3 190 MPa降低至2 660 MPa。

6 结论

以某特殊螺纹接头为研究对象，依据ISO 13679 CAL IV级B系载荷包络线试验载荷仿真分析了该特殊螺纹接头的密封特性，取得如下认识：

(1)弯曲载荷对特殊螺纹接头Von Mises应力分布及接触压力分布影响较大。

(2)考虑弯曲载荷作用时，特殊螺纹接头呈现出一侧受拉、一侧受压的状态。接头密封面上的Von Mises应力及接触压力分布趋势一致，均为在受拉一侧较小、受压一侧较大。

(3)密封面上的接触压力在第一象限关键载荷点处沿载荷加载路径增大。

(4)考虑弯曲载荷作用时，沿环向路径上密封面处的接触压力沿载荷加载路径逐渐减小，特殊螺纹接头可能会发生密封失效。