锥面-锥面特殊螺纹接头密封面处能量耗散有限元分析

李 凡，窦益华，于 洋，曹银萍

（1.西安石油大学机械工程学院，西安 710065；2.西安市高难度复杂油气井完整性评价重点实验室，西安 710065）

0 引言

特殊螺纹接头主要由连接螺纹、扭矩台肩和密封面组成，台肩的设计决定了可施加的最大预紧力，且起到辅助密封的作用，密封面处一般采用金属-金属过盈配合形式，起主要密封作用，目前特殊螺纹接头密封面处主要密封结构有锥面-锥面和球面-锥面等密封结构[1-3]。当特殊螺纹接头受内压，与轴向循环载荷作用时，由于井口装置和井底封隔器的约束及井筒中流体变化的作用，密封面处可能产生滑移运动，从而产生能量耗散。滑移的出现，与密封面粗糙度、接触压强以及轴向载荷均有关。当轴向循环载荷较小时，密封面处存在的滑移并不是发生在整个密封面处的整体滑移，当轴向循环载荷持续增大时，密封面处才有可能出现完全滑移[4-7]。因此密封面处的运动由微滑阶段与宏观滑移阶段两个部分组成。张颖[8]针对油管柱的高频振动，提出特殊螺纹密封面之间将会产生微振磨损，基于能量耗散理论，分析了振荡载荷对油管柱接头能量耗散的影响。

综上所述，由于特殊螺纹接头在受动载作用时，密封面处发生由微滑与宏观滑移引起的摩擦，其必然引起能量耗散，因此需要对特殊螺纹接头密封面处能量耗散进行分析，本文通过考虑不同内压与轴向循环载荷，研究不同锥度下特殊螺纹接头密封面处能量耗散对其密封性能的影响。为后续特殊螺纹接头密封面处能量耗散研究提供参考。

1 有限元模型建立

本文仿真对象选用ϕ88.9 mm×6.45 mm P110某特殊螺纹油管接头，选择接头密封方式分别为锥面-锥面密封方式。在Solidworks软件中建立不同锥度的特殊螺纹接头三维几何模型，将所建模型保存为step格式，导入HyperMesh软件中进行前期网格划分工作，特殊螺纹接头网格划分如图1所示。在特殊螺纹接头在进行有限元分析前，需设置密封面、螺纹牙导向面与承载面处接触对。根据接触对设置准则，将外螺纹的导向面、承载面与密封面、台肩设置为从面，内螺纹的导向面、承载面与密封面、台肩设置为主面，对接箍端面设置为固定约束，轴向载荷通过与外螺纹端面耦合的节点来施加[9-12]。

图1 锥面对锥面特殊螺纹接头模型及网格划分

特殊油管扣的具体参数如表1所示，在Abaqus中设置其材料属性均为各向同性，材料参数如表2所示。

表1 特殊螺纹接头设计参数

表2 特殊螺纹油管扣材料属性

2 能量耗散分析

2.1 不同内压作用下

特殊螺纹接头经上扣扭矩作用后，取轴向循环载荷为400 kN，内压分别为60 MPa、70 MPa、80 MPa，经有限元分析，得到如图2所示的上扣扭矩、内压与轴向循环载荷的复合作用下，密封面锥度为1/16的特殊螺纹油管接头的Mises等效应力云图。由图可知经循环载荷作用后接头处Mises等效应力均下降，且当内压越大时，Mises等效应力降低幅值越大。

图2 不同内压下施加循环载荷前后Mises应力云图

提取密封面处的位移与摩擦力，分别以位移和摩擦力作为横轴与纵轴，可以得到加载过程中的能量耗散曲线，如图3所示。经对比可知，随着内压的增加，特殊螺纹密封面处载荷-位移曲线所围成的面积，即能量耗散量在逐渐增大，这是因为随着内压的增大，密封面处法向压力增大，摩擦力增大，从而导致载荷-位移曲线所围成的面积增大。

图3 不同内压下密封面处载荷-位移迟滞曲线

如图4所示，当承受不同内压作用后，密封面处接触压力随着内压的增大而增大，当相同循环载荷作用在不同内压下的特殊螺纹接头时，其接触压力随着循环载荷的变化而变化，且其平均接触压力均小于内压作用后的接触压力。当内压增大时，相同载荷作用下，内压越大，其接触压力降低幅度越小，密封性相对较好。

图4 不同内压下密封面处接触压力变化曲线

2.2 不同轴向循环载荷作用下

特殊螺纹接头经上扣扭矩作用后，取内压为60 MPa，轴向循环载荷分别为400 kN、500 kN、600 kN，经有限元分析，得到如图5所示的上扣扭矩、内压与轴向循环载荷的符合作用下，密封面锥度为1/16的特殊螺纹油管接头的Mises等效应力云图。由图可知，内压一定时，随着轴向循环载荷的增加，接头处Mises等效应力降低幅值越来越大。

图5 不同循环载荷前后Mises应力云图

提取密封面处的位移与摩擦力，分别以位移和摩擦力作为横轴与纵轴，可以得到加载过程中的能量耗散曲线，如图6所示。经对比可知，随着轴向循环载荷的增加，特殊螺纹密封面处载荷-位移曲线所围成的面积，即能量耗散量在逐渐增大，这是因为随着轴向循环载荷的增大，密封面处位移增大，从而导致载荷-位移曲线所围成的面积增大。

图6 不同轴向载荷下的载荷-位移迟滞曲线

如图7所示，当承受内压作用后，密封面处接触压力随着内压的增加而增加，当施加不同轴向循环载荷后，密封面处接触压力均降低，由图可知，轴向循环载荷越大，接触压力降低幅值越大，密封性能越差。因此在相同内压作用下，应尽量降低轴向循环载荷的幅值，增加减震设施，提高接头密封性能。

图7 不同循环载荷下密封面处接触压力变化曲线

2.3 不同锥度下

经上扣扭矩作用后，取内压为60 MPa，轴向循环载荷为400 kN，经有限元分析，得到如图8所示的上扣扭矩、内压与轴向循环载荷的符合作用下，密封面锥度为1/16、1/14、1/12的特殊螺纹油管接头的Mises等效应力云图。由图可知随着锥度的增加，特殊螺纹接头受循环载荷后其Mises等效应力降低幅值逐渐增大。

图8 相同循环载荷前后Mises应力云图

提取密封面处的位移与摩擦力，分别以位移和摩擦力作为横轴与纵轴，可以得到加载过程中的能量耗散曲线，如图9所示。经对比可知，随着锥度的增加，特殊螺纹密封面处载荷-位移曲线所围成的面积，即能量耗散量在逐渐增大，这是因为随着锥度的增大，密封面处接触压力越小，相同轴向载荷作用密封面处位移越大，从而导致载荷-位移曲线所围成的面积增大。

图9 不同锥度下的载荷-位移迟滞曲线

如图10所示，特殊螺纹密封面处接触压力随着锥度的降低而增加，当受到相同内压与轴向载荷作用时，接头密封面处接触压力降低。受相同循环载荷作用下接头密封面处接触压力降低幅值随着锥度的升高而降低，且经循环载荷作用后密封面处接触压力后，锥度小的接头密封面处接触压力大于锥度大的接头密封面处接触压力。

图10 不同锥度下密封面处接触压力变化曲线

3 结果与分析

通过研究在上扣扭矩、不同内压、不同轴向循环载荷和不同锥度下的锥面-锥面特殊螺纹接头处能量耗散与接触压力变化情况得出以下结论。

（1）当内压一定时，特殊螺纹接头密封面处能量耗散随轴向载荷的增大而增大，密封面处接触压力减小，密封性能下降；当轴向循环载荷一定时，特殊螺纹接头密封面处能量耗散随内压的增大而增大，但其密封面处接触压力降低幅值随内压的增大而减小，密封性能增加。

（2）应尽量采用锥度较小的特殊螺纹接头，降低接头密封面处能量耗散。

4 结束语

对于特殊螺纹接头密封面处能量耗散研究较少，本文建立了考虑锥度的锥面对锥面密封形式的特殊螺纹接头有限元模型，研究在上扣扭矩、不同内压、不同轴向循环载荷和不同锥度下的锥面-锥面特殊螺纹接头处能量耗散与接触压力变化情况。有限元分析结果表明，对于相同锥度的特殊螺纹接头在受内压与轴向振动载荷时，内压越大，接头处能量耗散变大，但其密封面处接触压力较大；轴向振动载荷越大时，密封面处能量耗散越大，接触压力越小。对于不同锥度的特殊螺纹接头在受内压与轴向振动载荷时，密封面处能量耗散随着锥角的增加而增加，接触压力随锥角的增大而减小。因此，在使用特殊螺纹接头应采用较小锥角的接头，采用减震装置降低接头处振动。