设计计算螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响分析3窦益华1许爱荣1张国政2刘士军3(11西安石油大学21CNPC西安管材研究所31大庆油田有限责任公司第二采油厂)摘要用弹塑性有限元法建立了圆螺纹油管接头接触问题的有限元模型,利用ANSYS大型有限元分析软件,对不同油管螺纹参数偏差的油管接头机紧连接和承受拉伸载荷作用工况的应力应变进行了数值计算。计算结果分析表明,油管各螺纹参数偏差不改变油管发生强度破坏的螺纹牙齿位置;不同的螺纹参数偏差对油管螺纹的连接强度影响不同,螺距公差、牙型角上偏差及齿根高下偏差对油管螺纹连接强度的影响较大。给出了各螺纹参数偏差对油管螺纹连接强度影响程度的排序,为油管螺纹的质量检测和油管断裂失效分析提供了一定的理论依据。关键词油管圆形螺纹参数公差连接强度有限元引言随着油井开采深度增加,油管的工作条件日趋恶劣,油管泄漏、滑脱掉井和断裂等事故时有发生,严重影响油井的正常生产。造成油管失效的主要原因是油管本身的质量问题,螺纹参数是最重要的影响因素之一,油管失效事故约有64%发生在螺纹连接部位[1],并且近年来油管断裂现象日趋增多。因此,研究螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响,对于避免油管失效事故,保证油井的顺利开采,提高经济效益十分重要。目前,有关这一课题研究的文献较少,文献[2]主要对圆螺纹螺距、锥度、中径、接箍不圆度与螺纹连接性能和上扣扭矩2圈数的相关性进行了实验研究;文献[1]对螺纹参数与螺纹抗粘扣性能进行了定性分析;文献[3]仅讨论了锥度偏差对油管接头应力分布的影响。CNPC西安管材研究所与大庆油田有限责任公司第二采油厂合作项目“抽油机井油管判废技术研究”课题,从分析螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响入手,研究油管的断裂失效原因,进而制定旧油管的螺纹参数检测标准和研发相关检测仪器。受该项目委托,笔者针对大庆油田广泛使用的API圆螺纹油管,利用大型的ANSYS有限元软件包,以�7310mm×515mm(278英寸)J55R10不加厚API圆螺纹油管为例,定量地分析了5种螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响,为油管的失效原因分析和旧油管判废提供理论指导。有限元模型油管螺纹连接强度的数值计算属材料和接触非线性问题,笔者采用非线性接触弹塑性有限元法,对�7310mm×515mm(278英寸)J55R10不加厚API圆螺纹油管在机紧连接和拉伸载荷作用下,螺距、中径、锥度、齿高和牙型角5种螺纹参数偏差对油管螺纹连接强度的影响进行了计算。有限元建模时,忽略油管螺纹升角影响(升角小于2°),并根据载荷特点,取接箍长度为标准长度的一半,模型做轴对称处理[4]。油管接头的有限元离散网格划分采用轴对称平面四边形单元,螺纹牙的啮合采用对称接触,接箍的中间平面施加轴向位移约束以消除刚性位移、径向和环向自由,油管与接箍的机紧连接以产生的过盈量加载。图1为�7310mm油管接头有限元模型的示意图,螺纹牙的网格划分局部放大图见图2。—31—2007年第35卷第1期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY3研究课题为CNPC西安管材研究所与大庆油田有限责任公司第二采油厂合作项目“抽油机井油管判废技术研究”。图1油管接头有限元模型1—油管;2—接箍图2螺纹牙网格划分局部放大图材料的物理模型采用理想弹塑性模型,API规范中J55材料的屈服极限为372～550MPa,另根据文献[5]油管材料性能的实验结果屈服极限为430～470MPa,综合考虑,取材料的屈服强度为450MPa、弹性模量200GPa、泊松比013,材料的非线性力学特性选用双线性等向强化模型,油管螺纹副摩擦因数取0115[6]。分析中共建立不同油管螺纹参数偏差的油管接头几何模型13种,并且对各几何模型做了如下假定:①油管螺纹指定参数变化时,其它参数值按API标准选取最佳值;②油管与接箍螺纹为API标准规定的机紧紧密距连接;③接箍各螺纹参数取API标准规定的最佳值。螺距、锥度、齿高和牙型角4种螺纹参数分别取API标准规定的最佳值(API标准规定的中值)、最大和最小误差值3种;中径的最佳值可按API标准规定选取,最大和最小值按公差-0104～0104mm确定;齿高的变化建立了2种模型(改变齿顶高和齿根高值);牙型角模型的建立是以改变牙齿截底高的大小来保证齿高为最佳值。计算结果与分析11计算结果每种模型对油...
