HSQR 快速螺纹接头的分析与试验

胡志立， 李小兵， 李建亮， 吴 丹， 付 强，张垂贵， 胡新太， 李 健， 冉雪辉

（衡阳华菱钢管有限公司， 湖南 衡阳421000）

0 前 言

大直径套管 （≥Φ339.72 mm） 下井时不易对扣， 尤其在海洋、 沙漠等恶劣环境下， 由于波浪、 大风等因素影响， 管柱摇摆不定， API 螺纹接头容易产生对扣偏心、 错扣等风险， 从而造成管柱泄漏、 滑脱等事故， 严重影响下井效率， 因此快速螺纹接头成为最佳解决方案[1-3]。 快速螺纹接头具有上扣速度快、 对扣方便、 不易错扣的特点， 下井效率远超同规格同钢级API 偏梯扣，可为用户节约大量时间和经济成本[4]。 目前， 国内外著名特殊扣厂家均开发了快速螺纹接头， 如瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司（Vallourec & Mannesmann Tubes， V&M） 开发了Big Omega[5]和DINO VAM 特殊扣； 泰纳瑞斯（Tenaris） 开发了ER和Blue Quick Seal 特殊扣； 国内天津钢管公司开发了TP-QR 特殊扣； 衡阳华菱钢管公司开发了HSQR 快速螺纹接头等。 本研究针对衡阳华菱钢管公司生产的HSQR 快速螺纹接头进行有限元及实物性能分析， 为油田用户提供参考。

1 HSQR 快速螺纹接头的结构特点

1.1 优化的偏梯螺纹齿形

HSQR 快速螺纹接头采用优化的偏梯螺纹齿形， 增大齿型导向面角度， 增强上扣时螺纹的导入性能， 入扣容易， 减少错扣的概率， 从而提高下井作业效率。 另外， 减小承载面角度， 可降低大直径套管在拉伸载荷下易收缩变形而产生脱扣事故的概率， 提高接头的连接强度。

1.2 大齿高设计

螺纹接头在受到拉伸载荷的作用下， 内螺纹向外膨胀， 外螺纹向内收缩， 对于大直径套管而言， 由于椭圆度较大， 螺纹周向啮合受力不均匀， 螺纹接头就更容易产生滑脱， 因此采用大齿高、 大粗牙的设计， 可防止大直径套管接头脱扣失效， 保证接头的连接效率。 同时， 优化了公母螺纹齿侧之间和齿顶之间的间隙， 保证了接头具有良好的上扣操作性和抗泄漏能力。

1.3 大螺距、 大锥度设计

HSQR 快速螺纹接头采用大螺距、 大锥度设计， 深度对扣时可方便快速上扣， 提高了下井作业效率。

1.4 优化的螺纹中径配合尺寸

通过优化的公母螺纹中径尺寸来实现合理的螺纹过盈配合， 从而保证公母螺纹在上扣后具有理想的应力分布状态。

2 有限元分析

2.1 模型建立

以衡阳华菱钢管有限公司生产的规格为Φ339.72 mm×12.19 mm L80 HSQR 快速螺纹接头为例进行分析。 采用ABAQUS 为分析软件， 输入几何模型， 根据接头的结构和受力特点， 将其按轴对称问题处理， 且将接头的接箍中面处理为对称面， 该截面内各点只有径向位移自由度； 为消除管端效应， 建模时管体长度取约为螺纹长度的3 倍。 建模时引入下述简化和假设： 由于螺纹的螺旋升角很小， 忽略其影响， 把接头视为轴对称结构； 接头的材料视为均匀的各向同性体[6-8]。 快速螺纹接头的有限元模型螺纹部位网格细化如图1 所示。 螺纹部位细化网格为0.1 mm，采用四节点四边形单元CAX4。 取材料弹性模量E=2.05×105MPa， 泊松比μ=0.3， 材料模型采用双线性强化模型， 根据接头的实际材料性能输入真实应力、 真实应变数据。 根据接头的受力施加边界条件。

图1 HSQR 快速螺纹接头有限元模型螺纹部位网格细化

2.2 上扣有限元分析

HSQR 快速螺纹接头在规定最小上扣位置时 （接箍上扣至三角形底边） 的应力分布云图如图2 所示。 由图2 可以看出， 上扣后接头表现为偏梯形螺纹接头典型的上扣应力分布状态， 接箍端部和管体端部两端应力高、 中间应力水平低， 整体应力水平低于材料屈服强度， 接头整体应力分布状态与设计构想一致。

图2 最小上扣位置时HSQR 快速螺纹接头的应力分布云图

HSQR 快速螺纹接头在规定最大上扣位置时 （接箍上扣至三角形底边过去4 mm 处） 的应力分布云图如图3 所示。 由图3 可以看出，上扣后仍然是接箍端部和管体端部两端应力高、中间应力水平低， 特别是最后啮合三扣消失螺纹牙应力水平较高， 整体应力水平高于最小上扣位置时的应力状态， 与材料屈服强度相比， 接头整体应力水平仍较低， 整个应力分布与设计构想一致。 通过对最小上扣位置和最大上扣位置的分析可以看出， 接头整体应力分布状态合理， 说明螺纹的过盈量范围设计较为合理。

图3 最大上扣位置时HSQR 快速螺纹接头的应力分布云图

2.3 拉伸失效有限元分析

按照等步长加载的方法施加拉伸载荷， 直至最后啮合螺纹牙突然出现较大径向位移拐点， 导致脱扣失效， 或者突然出现较大等效塑性应变拐点导致断裂失效， 记录此时的载荷值。 经过有限元计算分析， 接头在最小上扣位置下拉伸至失效时的拉伸载荷为8 170 kN， 此时VME 应力为管体的118%， 应力应变分布状态如图4 所示。 最后2 扣螺纹牙开始脱离啮合， 从最后啮合消失螺纹牙开始滑脱失效。

图4 最小上扣位置下拉伸至失效时HSQR 快速螺纹接头的应力应变分布云图

接头在最大上扣位置下拉伸至失效时的拉伸载荷为8 375 kN， 此时VME 应力为管体的121%， 应力应变分布状态如图5 所示。 最后2扣螺纹牙开始脱离啮合， 从最后啮合消失螺纹牙开始滑脱失效。

图5 最大上扣位置下拉伸至失效时HSQR 快速螺纹接头的应力应变分布云图

3 实物试验

为验证HSQR 快速螺纹接头的各项性能是否满足标准要求， 对其展开实物试验评价， 主要检测HSQR 接头的上卸扣性能、 连接强度、 内压及外压性能。

3.1 上卸扣试验

上扣是螺纹接头使用的第一步， 上扣质量的好坏对后续使用性能有较大影响。 按照3 次上扣2 次卸扣， 螺纹脂采用Bestolife 72733， 接箍进行磷化处理。 HSQR 快速螺纹接头由于是按照三角形位置控制上扣， 本研究上卸扣试验按照最大上扣位置进行上扣， 以便得到该接头最差的抗粘扣性能。 实物试样上扣扭矩曲线如图6 所示， 可以看出上扣扭矩与上扣圈数线性度较好。 螺纹接头第2 次卸扣后的照片如图7 所示， 可以看出内外螺纹均没有发生粘扣现象， HSQR 快速螺纹接头满足上扣完整性要求。

图6 HSQR 快速螺纹接头上扣扭矩曲线

图7 HSQR 快速螺纹接头第2 次卸扣后的实物照片

3.2 拉伸至失效试验

在复合加载试验系统上对HSQR 快速螺纹接头进行拉伸试验， 其加载曲线及试验试样如图8 所示。 当拉伸载荷达到8 006 kN 时， 复合加载系统检测到管体伸长量急剧增加， 表明试样已经发生屈服， 管体屈服强度为6 923 kN， 此时失效载荷为管体的115%VME， 超过同规格API 偏梯扣的连接强度， 说明HSQR 快速螺纹接头具有优异的连接强度。

图8 HSQR 快速螺纹接头拉伸试验

3.3 内压至失效试验

在复合加载试验系统上对HSQR 快速螺纹接头进行内压试验， 其加载曲线及试验试样如图9所示， 内压介质为水。 当内压达到51.7 MPa 时，压力开始下降， 表明接头发生泄漏， 此时失效压力为API 偏梯扣最小内屈服压力 （34.0 MPa） 的1.52 倍， 说明HSQR 快速螺纹接头具有优异的抗内压泄漏性能。

图9 HSQR 快速螺纹接头内压试验

3.4 外压至失效试验

在外压挤毁试验系统上对HSQR 快速螺纹接头进行外压试验， 其加载曲线及试验试样如图10 所示， 外压介质为水。 当外压达到25.2 MPa时发生管体挤毁， 此时试样的外压失效值为API 偏梯扣挤毁值 （15.6 MPa） 的1.62 倍， 试验结果表明HSQR 快速螺纹接头具有优异的抗挤毁性能。

图10 HSQR 快速螺纹接头外压试验

4 结束语

开发的HSQR 快速螺纹接头上扣应力水平分布合理， 全尺寸实物试验表明该接头满足2 次卸扣3 次上扣不粘扣的要求， 并且其内压性能、外压性能、 连接强度均明显超过API 偏梯扣性能。 HSQR 快速螺纹接头在中石油西南油气红星1 井以及塔里木油田满蓬1 井进行了下井应用，油田客户反馈HSQR 快速螺纹接头对扣容易，相比同规格API 偏梯扣下井效率提高了1 倍。