基于ISO 12835 TP-TW套管特殊螺纹接头有限元分析*

陈玉鹏，杨腾飞，闫 龙，吕春莉

(天津钢管制造有限公司 天津 300300)

0 引 言

循环蒸汽吞吐(CSS)和蒸汽辅助泄油(SAGD)等方式的热采井，广泛应用于稠油资源的开采[1-3]。其工作温度范围通常在200～350 ℃之间。由于高温的作用，一方面使得套管柱受热产生热膨胀；另一方面，由于固井的原因又限制了管柱的自由膨胀，结果导致在套管上产生了明显的轴向压缩载荷。通常情况下，套管上的应力已经超过了材料的弹性极限，而在随后的冷却过程中，根据材料强度的不同，拉伸载荷也会使套管发生屈服。这些由于温度变化产生的载荷不可避免的会传递到套管接头，引起接头的应力集中部位更大的塑性变形。因此，热采井工况对螺纹接头的性能提出了更高的要求。为了满足热采井的设计需要，特殊螺纹接头因其更高的结构承载能力及密封性能，比普通API螺纹接头更具优势[4-6]。

评估特殊螺纹接头性能主要依靠实物试验和有限元分析方法。对于实物试验方法，广泛应用的试验标准为ISO 13679或API RP 5C5[7-9]。然而，由于热采井复杂的工况条件和特殊螺纹接头设计上的差异性，使其在应用上存在着局限性，即上述试验标准规定的最高试验温度为180 ℃，且试验载荷名义上处于弹性范围内。随着试验标准的发展，ISO 12835热采井套管接头评价试验方法，成为评价热采井工况下，特殊螺纹接头使用性能的国际标准[10]。根据试验温度，ISO 12835将评价试验分为四个等级，分别为ASL240、ASL290、ASL325和ASL350。实际的试验载荷范围已经进入材料的塑性区域，并且有限元分析成为标准的强制要求。有限元分析的主要目的是筛选出实物试验中接头最苛刻的公差配合形式和试验条件。这是与ISO 13679标准的主要差别之一，因为ISO 13679标准中已经明确给定了不同公差样品的试验目的。

本文以一种K55钢级， 298.45 mm×11.05 mm规格，TP-TW热采井专用特殊螺纹接头为例，根据ISO 12835 试验标准中ASL290等级要求，阐述了相关有限元分析方法。通过有限元分析，确定了实物试验样品的极限公差配合形式。同时，对接头的密封性能进行了定量分析，为更广泛的开展全尺寸实物试验及开发热采井用高端特殊螺纹接头奠定基础。

1 TP-TW热采井特殊螺纹接头结构特点

国内外特殊螺纹接头的种类繁多，根据应用环境的不同，设计特点也存在差异[11-13]。TP-TW特殊螺纹接头是天津钢管针对加拿大热采井市场开发的特殊螺纹接头产品，已经形成批量供货，并且是国内唯一通过ISO 12835实物评价试验的产品。TP-TW在设计上的特点主要体现在齿形和密封结构两方面。

在螺纹设计上，采用偏梯形型齿形，齿侧过盈的形式。这种设计可以最大限度的保证接头在轴向载荷作用下的结构稳定性，同时降低对密封性能的影响。图1为两种齿形配合后的结构形式，分别为尺侧过盈和齿顶齿底过盈。齿顶齿底过盈形式在上扣过程中有着更好的螺纹脂分布，相较于齿侧过盈形式，对粘扣的敏感度较低。但由于螺纹导入侧存在间隙，在高压缩载荷下会产生移动，而更多的依靠扭矩台肩来承受载荷，因此抗压缩能力较弱。在热采井工况条件下，由于热循环过程中轴向载荷的影响，采用齿侧过盈配合的形式更加适合。

图1 螺纹过盈配合形式对比

该特殊螺纹接头采用弧面对锥面的密封结构，如图2所示。目前，国际市场上的很多特殊螺纹接头产品采用此类密封结构[14]。相对于锥面对锥面的密封结构，虽然其接触压力最大值较低，但接触宽度更长，同时受轴向载荷的影响较小，比较适用于热采井的工况条件。

图2 TP-TW弧面对锥面密封结构

2 有限元模型

由于热采井管柱系统的复杂性，如接触条件、井身结构、材料性能等，使利用数值分析方法不能精确地确定热采井套管接头的力学性能。图3为热采井工况下，管柱典型的力学行为，其中包含了各种复杂的材料性能变化，如应力松弛、包申格效应、应变强化等。ISO 12835试验标准规定的有限元分析进行了必要的简化，但一些基本的力学特性必须进行评估，以保证分析结果的一致性和准确性。

图3 热采井工况下管柱典型力学行为

2.1 结构模型

按照ISO 12835标准要求，用Python脚本程序建立了9种不同公差配合形式的有限元模型，用于筛选试验样品的极限公差配合。表1为模型的配合形式及分析内容。

表1 有限元结构模型及分析内容

以GN名义设计尺寸模型为例，特殊螺纹接头有限元网格及边界条件如图4所示。根据ISO 12835标准要求，一支带接箍的套管总长度为12.5 m，且模型应至少包含1/2套管和接箍的长度，因此模型的总长度应大于等于6 250 mm。将接箍中面作为对称面，只施加轴向对称约束，径向可自由变形。在热循环模拟中，套管管端施加轴向对称约束，上扣过程中不进行任何约束，防止产生多余的轴向载荷，影响分析结果的准确性。

图4 特殊螺纹接头轴对称模型

在螺纹、密封及扭矩台肩部位应进行网格细化，而管体部位可以使用相对较粗的网格。为保证计算结果的准确性和计算效率，推荐进行网格收敛性分析来确定适当的网格尺寸。本次分析中，密封面和螺纹部分的网格尺寸分别为0.1 mm和0.04 mm。对于单元类型的选择，一般轴对称实体单元,如CAX41,可满足计算需求。

2.2 材料模型

根据ISO 12835 附录A.2.2的要求，有限元分析需要使用与温度相关的弹塑性材料模型，以精确表征材料屈服后的力学行为。各向同性强化推荐作为默认的材料强化方式，泊松比为0.3，平均热膨胀系数为14 με/℃。

1.2缺乏尊重与耐心在病患高发期,迫于临床的紧急需求,沟通时采用命令的语气等等造成双方互不尊重;发生小的争议时互相推诿、推卸责任;不尊重消毒灭菌的专业性、复杂性、时效性,经常性提出不合理要求。

基于单轴拉伸试验数据，建立了不同温度下的特征材料模型(as-characterized)，如图5所示。表2为不同温度下，材料弹性模量和屈服强度试验数据。为精确表征接头上的应变集中特性，超过材料极限强度后的应力应变关系，采用理论公式(1)进行计算[15]，计算时四种温度下的最大应变值选取50%。

图5 特征材料模型

(1)

式中：σ为应力，MPa；ε为应变；σu为极限强度，MPa；εu为极限应变。

表2 材料性能数据表

2.3 载荷模型

对热采井工况下特殊螺纹接头性能有限元分析过程主要包含两部分，即一次上扣和热循环，载荷路径如图6所示。特殊螺纹接头最高温度为290 ℃，最大内压为7.4 MPa。温度变化作用于整个接头模型，内压载荷施加于套管和接箍的内表面、台肩以及部分密封面区域。

图6 ASL-290载荷路径图

有限元分析中应使用无摩擦的接触属性，但应对摩擦系数进行估算，并应用在上扣扭矩的计算中。摩擦系数可根据上卸扣试验数据并结合有限元分析进行估算，螺纹部分的平均摩擦系数设定为0.03，密封面和扭矩台肩部位为0.06。

特殊螺纹接头上扣过程采用预置过盈量的方法进行模拟上扣，首先求解螺纹和密封面的径向过盈，然后求解台肩部位的轴向过盈。对于径向过盈量，一般根据接头的设计尺寸确定。而轴向过盈量通过调整机紧量的方法进行控制，以满足最终上扣扭矩的要求。上扣扭矩的计算采用公式(2)：

T=∑CfFnrn

(2)

式中：T为上扣扭矩，N·m；Cf为摩擦系数；Fn为节点接触力，N；rn为节点半径，mm。

3 评价标准

有限元分析主要用于筛选试验样品的极限公差配合形式，主要包含两方面的内容：抗粘扣性能和密封性能。ISO 12835标准定义了四种最差的公差配合情况，分别为WGS、WGT、WST、WSC，其含义见表3。有限元分析的目的即为确定这四种情况下的公差配合形式。评价指标为接触压力和密封强度。螺纹和密封面上的最大接触压力越大，发生粘扣现象的几率越高。密封强度越高，密封性能相对较好。其中密封强度SI定义为密封面接触压力σc在有效密封长度LES上的积分，如式(3)：

(3)

表3 最差公差配合形式定义

XIE和Matthews等提出了针对热采井工况的密封评价准则[16]，用于对密封性能的定量分析。此评价准则综合考虑了泄漏速率及套管尺寸的影响。定义如式(4)、(5)两个变量SC和SD：

(4)

SD=ADKQmP

(5)

SC可理解为密封能力，为实际工况对密封能力的需求。当SC≥SD时，可认为接头的密封性能是足够的。文献中给出拟合系数值见表4，当利用有限元进行分析时，推荐使用极限值。

表4 拟合系数

4 有限元计算结果与分析

所有模型应按规定最佳扭矩进行上扣过程的模拟，计算扭矩范围控制在±1%之内。此规格特殊螺纹接头上扣最佳扭矩为29 960 N·m，设计机紧量为4 mm。以名义尺寸模型GN为例，图7为机紧量与上扣扭矩的关系图，通过线性插值的方法，确定GN模型的机紧量为3.986 2 mm，计算上扣扭矩为29 787.08 N·m。表5为所有模型上扣扭矩与机紧量的数值。

表5 机紧量与上扣扭矩计算值

图7 机紧量与上扣扭矩关系图

图8为GN模型在上扣和热循环分析中的轴向应力分布云图。从图8可见，当将套管试样内部加热至高温时，套管管体和接头都承受了明显的轴向压缩载荷。当试样内部冷却至室温后，由于材料收缩及位移的限制，压缩载荷转变为拉伸载荷。图9为密封面接触压力的变化情况，表现为升温过程中接触压力降低，接触长度增加。而降温后，接触压力和接触长度均明显下降。说明降温产生的轴向拉伸载荷对接头的密封性能有较大影响。

图8 GN模型接头轴向应力云图

图9 密封面接触压力分布

表6为9种模型的分析结果，其中上扣过程中，模型4螺纹上的最大接触压力最高，为819 MPa，最有可能发生螺纹的粘扣，因此模型4确定为WGT。模型6密封面的最大接触压力最高，为520 MPa，最有可能发生密封面粘扣，确定为WGS。对于密封性能来说，模型3在高温及常温下的密封强度均最低，则WSC和WST的公差配合形式均为模型3。因而，后续的实物试验样品的公差配合形式，将根据上述有限元分析结果进行确定。

表6 最差样品公差筛选结果数据表

接头密封性能定量分析结果如图10所示。根据公式(4)和公式(5)分别计算了4种不同公差组合模型的密封能力及密封需求。在290 ℃及25 ℃下的密封需求分别为4.52和4.88，存在微小差距的原因是不同温度下标准规定的最大泄漏速率不同。从图10可见，所有模型在高温及常温下的密封能力均超过公式计算的密封需求，说明接头可以保证密封能力。

图10 密封性能定量分析图

5 结 论

1)按照ISO 12835热采井套管接头全尺寸评价试验标准的要求，对TP-TW热采井专用特殊螺纹接头进行了有限元分析，筛选出了实物验样样品的公差配合形式。

2)在热循环载荷下，降温时产生的轴向拉伸载荷对接头的密封性能有着较大影响。在进行接头设计时，应从齿形和密封结构两方面综合分析，提高拉伸载荷下接头的承载能力，降低拉伸载荷对接头密封性能的影响。

3)通过密封性能定量分析方法，可对接头的密封性能进行初步评估，以满足实物试验的要求，并且在热采井特殊螺纹接头设计开发中作为一种密封性能评价准则。