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雙主密封特殊螺紋油管接頭密封性能研究

2019-06-20 05:33:48張成君
關(guān)鍵詞:雙主錐面密封面

王 磊,付 強(qiáng),李 越,張成君,莫 麗,涂 煉

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津300459;2.西南石油大學(xué),四川成都610500)

隨著石油開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外在深井、超深井、高壓氣井的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,大量使用了特殊螺紋油套管接頭[1]。特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)克服了API螺紋接頭自身性能的限制,通過(guò)抗扭臺(tái)肩與獨(dú)立的密封面實(shí)現(xiàn)多級(jí)密封[2],因此具有更好的密封性能。

常見(jiàn)的特殊螺紋主要有球面對(duì)柱面、錐面對(duì)錐面、錐面對(duì)球面以及球面對(duì)球面4種密封結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)的密封性能主要通過(guò)理論研究[3-6]、有限元分析[7-10]和模擬實(shí)驗(yàn)[11-14]等方法來(lái)定性描述,缺乏全尺寸試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其結(jié)果的準(zhǔn)確性,并且研究多集中在單主密封結(jié)構(gòu),對(duì)多級(jí)密封結(jié)構(gòu)研究較少。目前國(guó)內(nèi)具有代表性的特殊螺紋大量使用多級(jí)密封結(jié)構(gòu),為此基于特殊螺紋密封機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種由錐面對(duì)錐面和柱面對(duì)球面組成的雙級(jí)主密封特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析接頭在拉伸、壓縮、拉伸和內(nèi)壓、拉伸和內(nèi)外壓4種工況下,密封面接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度的變化情況,研究螺紋接頭在極限載荷工況下的密封性和安全性。最后通過(guò)接頭樣件的全尺寸試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該螺紋接頭的性能,為以后多級(jí)密封特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。

1 密封理論

由流體力學(xué)原理可知,流體通過(guò)間隙時(shí)所產(chǎn)生的局部阻力主要與泄漏路徑長(zhǎng)度和間隙截面積大小有關(guān),并且接觸面上的接觸應(yīng)力與間隙的截面積大小呈反比[15],它們之間的關(guān)系可表示為:

式中,ΔR為局部阻力;pt為接觸應(yīng)力;l為泄漏路徑長(zhǎng)度。

該局部阻力等效于沿泄漏路徑l累積的接觸應(yīng)力,故該接觸面的臨界密封壓力可表示為:

式中,pcr為臨界密封壓力;K為常數(shù)。

當(dāng)金屬對(duì)金屬之間的密封面完全光滑時(shí),為防止內(nèi)部流體泄漏,必須保證密封面上的接觸應(yīng)力大于內(nèi)部流體的壓力,但在實(shí)際應(yīng)用中,密封面難以保證完全光滑,即使是過(guò)盈配合的密封面間仍會(huì)存在細(xì)微的間隙[16]。從式(2)可以得出,密封面的臨界密封壓力與密封面上的接觸應(yīng)力和泄漏路徑長(zhǎng)度成正比,應(yīng)從增大密封面的接觸應(yīng)力和接觸面積兩方面來(lái)提高金屬面之間的密封性能。但當(dāng)密封面的接觸應(yīng)力增大到超過(guò)材料的屈服極限時(shí),會(huì)造成塑性破壞或應(yīng)力腐蝕;同時(shí),隨著接觸面積增加,接觸應(yīng)力減小,復(fù)雜工況下接頭的密封效果難以保證。因此,研究不同載荷條件下金屬密封面的性能,具有重要意義。

2 有限元建模

2.1 模型建立

采用88.9 mm尺寸規(guī)格的雙主密封特殊螺紋接頭,承載面為-5°的改進(jìn)型偏梯形螺紋形式。由于一對(duì)螺紋接頭均為軸對(duì)稱(chēng)零件,在均勻外載作用下,載荷也是軸對(duì)稱(chēng)的,故沿螺紋接頭的軸線,對(duì)接頭采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行有限元建模[17]。為保證計(jì)算結(jié)果的精度,考慮到圣維南效應(yīng),模型取2倍管體小端至螺紋消失點(diǎn)的距離作為管體長(zhǎng)度。幾何模型如圖1所示。

2.2 材料性能

螺紋接頭材質(zhì)采用馬氏體不銹鋼2Cr13,加工后通過(guò)熱處理達(dá)到API L80鋼級(jí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。對(duì)隨爐處理的樣件進(jìn)行實(shí)測(cè),得到屈服強(qiáng)度σs=618 MPa,抗拉強(qiáng)度 σb=750 MPa,延伸率 δ=20。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知,2Cr13材料的彈性模量G=206 GPa,泊松比μ=0.3,金屬密封面之間的切向接觸采用庫(kù)倫摩擦,摩擦系數(shù)f=0.02[18-21]。

圖1 幾何建模Fig.1 Geometric modeling

2.3 接觸設(shè)置

考慮到螺紋接頭的螺紋段、密封面段和臺(tái)肩段的接觸條件和參數(shù)有些不同,故在ABAQUS軟件中要分別定義螺紋面、密封面和臺(tái)肩面的接觸屬性,以方便對(duì)每個(gè)接觸面上的接觸參數(shù)進(jìn)行修改,并將接觸面的接觸方式設(shè)置為面對(duì)面接觸。在ABAQUS/Standard分析中定義接觸對(duì)主從面時(shí),將公螺紋接頭所在的接觸面定義為從面,母螺紋接頭所在的接觸面定義為主面,接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)采用有限滑移。在接觸對(duì)上設(shè)置微小的過(guò)盈量,以保證分析開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)建立起接觸關(guān)系,便于模型收斂。

2.4 約束載荷

為了保證模型在整個(gè)分析過(guò)程中不發(fā)生剛體位移,模型中將約束施加在母螺紋接頭上。根據(jù)螺紋接頭對(duì)稱(chēng)面的環(huán)向位移為零的特點(diǎn),在ABAQUS里對(duì)母螺紋接頭對(duì)稱(chēng)面的各節(jié)點(diǎn)上施加軸向位移約束,徑向方向自由。由于井下的工況比較復(fù)雜,不同工況下螺紋接頭承受的載荷也不同,這對(duì)接頭的密封性能提出了挑戰(zhàn),故在有效模擬接頭上扣的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析螺紋接頭在受到軸向壓縮載荷、軸向拉伸載荷、軸向拉伸載荷+內(nèi)壓、軸向拉伸載荷+內(nèi)壓+外壓4種工況載荷時(shí),螺紋接頭密封面的接觸應(yīng)力及接觸長(zhǎng)度變化情況,進(jìn)而研究螺紋接頭的密封性能。雙主密封接頭的加載工況如表1所示(拉力為負(fù)值時(shí)表示壓力),整體受載及約束如圖2所示。

2.5 網(wǎng)格劃分

利用ABAQUS軟件,對(duì)模型整體采用CAX4I即4節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性軸對(duì)稱(chēng)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并分別在螺紋連接、雙主密封面及扭矩臺(tái)肩處細(xì)化網(wǎng)格,并且保證接觸對(duì)中從面的網(wǎng)格比主面精細(xì)。經(jīng)過(guò)細(xì)化后的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 加載工況Table 1 Loading conditions

圖2 整體受載及約束Fig.2 Overall load and constraint

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model mesh partition

3 計(jì)算結(jié)果及分析

要得到4種工況下螺紋接頭密封面的接觸應(yīng)力及接觸長(zhǎng)度,模型分析完后,按照螺紋設(shè)計(jì)的柱面和錐面長(zhǎng)度,提取接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度。在ABAQUS后處理模塊,在Field Output中選擇輸出場(chǎng)變量為CPRESS,即可得到接觸應(yīng)力的分布情況。

3.1 軸向拉伸載荷下密封性能分析

在井下工作時(shí),油管接頭會(huì)承受較大的拉伸載荷,這增大了螺紋接頭密封泄漏的可能性。接頭上扣后,對(duì)接頭的雙主密封面分別沿軸向施加表1中工況1的3種拉伸載荷,得到柱面對(duì)球面和錐面對(duì)錐面密封面的接觸應(yīng)力及接觸長(zhǎng)度隨拉伸載荷變化的分布曲線,如圖4所示。

圖4 不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布(軸向拉伸)Fig.4 Contact stress distribution of different contact faces(axial stretching)

由圖4(a)可知,隨著軸向拉伸載荷增加,柱面對(duì)球面密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力及接觸長(zhǎng)度均略有減小。在900 kN軸向拉力下,柱面密封的最大接觸應(yīng)力為411.2 MPa,是300 kN拉力下柱面密封的最大接觸應(yīng)力(479.2 MPa)的85.8%;且接觸長(zhǎng)度(2.20 mm)基本與300 kN拉力下的接觸長(zhǎng)度一致。

由圖4(b)可知,隨著軸向拉伸載荷增加,錐面對(duì)錐面密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度均有所減小,但錐面的接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度比柱面減小得更快。在900 kN軸向拉力下,錐面密封的最大接觸應(yīng)力為190.3 MPa,是300 kN拉力下錐面密封的最大接觸應(yīng)力(299.2 MPa)的63.6%;接觸長(zhǎng)度(2.37 mm)是300 kN拉力下的接觸長(zhǎng)度(2.22 mm)的1.07倍。

從圖4還可以看出,在900 kN極限拉伸載荷下,螺紋接頭仍有部分密封面區(qū)域接觸應(yīng)力較大,具有一定的密封性能。

3.2 軸向壓縮載荷下密封性能分析

油管接頭在井下各種管柱力作用下受力復(fù)雜,集中表現(xiàn)為在井口處和井底處分別受到軸向拉伸載荷和軸向壓縮載荷。按照工況2的要求,對(duì)接頭的雙主密封面分別施加300、600 kN的軸向壓縮載荷,得到了柱面對(duì)球面和錐面對(duì)錐面密封面上的接觸應(yīng)力及接觸長(zhǎng)度隨壓縮載荷變化的分布曲線,如圖5所示。

圖5 不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布(軸向壓縮)Fig.5 Contact stress distribution of different contact faces(axial compression)

由圖5(a)可知,柱面對(duì)球面密封的接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度隨軸向壓縮載荷的增加而減小。在承受壓縮載荷時(shí),柱面密封的接觸應(yīng)力隨著與錐面距離的增加,先急劇增加,然后快速下降,接著又快速增加,最后下降到0,應(yīng)力曲線出現(xiàn)2個(gè)明顯的波峰。在300 kN壓縮載荷下,柱面密封接觸長(zhǎng)度為2.04 mm,最大接觸應(yīng)力720 MPa,超過(guò)材料的屈服極限,局部已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形,很容易發(fā)生黏結(jié)。

由圖5(b)可知,錐面對(duì)錐面密封的接觸應(yīng)力隨著軸向壓縮載荷的增加而增大。在600 kN壓縮載荷下,錐面密封的最大接觸應(yīng)力為605 MPa,接近但未超過(guò)材料的屈服極限(618 MPa),密封面未失效。

綜合以上分析,接頭在壓縮載荷下的接觸應(yīng)力也能滿(mǎn)足密封要求,但是要采取措施防止接頭使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的黏結(jié)情況。

3.3 軸向拉伸載荷和內(nèi)壓作用下密封性能分析

根據(jù)工況3的要求,先在接頭的雙主密封面上施加900 kN的軸向拉伸載荷并保持穩(wěn)定,然后在接頭的內(nèi)表面分別施加 10、30、50、70 MPa的壓力,得到了柱面對(duì)球面和錐面對(duì)錐面密封面上的接觸應(yīng)力及接觸長(zhǎng)度在某一固定拉伸載荷下隨著內(nèi)壓變化的分布曲線,如圖6所示。

圖6 不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布(軸向拉伸+內(nèi)壓)Fig.6 Contact stress distribution of different contact faces(axial tension+internal pressure)

由圖6可知,柱面對(duì)球面及錐面對(duì)錐面密封結(jié)構(gòu)上的接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度均隨內(nèi)壓的增大而增加。在70 MPa高壓下,柱面對(duì)球面密封的最大接觸應(yīng)力為939 MPa,密封面較易發(fā)生黏結(jié)。錐面對(duì)錐面密封的接觸長(zhǎng)度為2.76 mm,最大接觸應(yīng)力為398 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。

由以上分析可知,在一定范圍內(nèi),隨著內(nèi)壓的增加,起始接觸應(yīng)力值略有下降,末端接觸應(yīng)力值增加明顯,密封面出現(xiàn)較明顯的屈服區(qū),表明內(nèi)壓對(duì)密封面密封性能有加強(qiáng)作用。在軸向拉伸和內(nèi)壓載荷共同作用時(shí),雙主密封接頭具有良好的密封性能。

3.4 軸向拉伸和內(nèi)外壓作用下密封性能分析

根據(jù)工況4的要求,先對(duì)接頭的雙主密封面施加900 kN的軸向拉伸載荷,然后對(duì)管體施加50 MPa的內(nèi)壓和外壓,得出螺紋接頭的整體應(yīng)力云圖,如圖7所示。同時(shí)得到了柱面對(duì)球面和錐面對(duì)錐面密封面上接觸應(yīng)力的數(shù)據(jù),將工況4得到的數(shù)據(jù)和工況3(8)得到的數(shù)據(jù)按照柱面和錐面分別繪制曲線,如圖8所示。

圖7 螺紋接頭Mises應(yīng)力分布云圖Fig.7 Mises stress distribution cloud chart for threaded joints

由圖4-8可知,雙主密封接頭最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在球面/柱面密封結(jié)構(gòu)的密封面上,超出了材料的屈服強(qiáng)度,但是球面/柱面密封結(jié)構(gòu)的密封原理就是通過(guò)密封面屈服產(chǎn)生塑性流動(dòng),微小間隙被塑性流動(dòng)金屬充填,泄漏通道急劇降低來(lái)達(dá)到密封的,故952 MPa的高應(yīng)力區(qū)不會(huì)對(duì)密封面產(chǎn)生很大的影響。而錐面對(duì)錐面密封結(jié)構(gòu)在外壓作用下,密封面的接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度均在增大,最大接觸應(yīng)力為450 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。

綜合來(lái)看,雙主密封接頭在軸向拉伸和內(nèi)外壓雙載荷下密封長(zhǎng)度更長(zhǎng),應(yīng)力峰值也較低,不僅能夠保證優(yōu)良密封性能,也降低了黏扣發(fā)生的可能性。

4 全尺寸試驗(yàn)

采用專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床加工出這種雙主密封特殊螺紋接頭,并嚴(yán)格依照API Spec 5CT的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)螺紋接頭的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和檢驗(yàn)。隨機(jī)選取其中3個(gè)樣件進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)。

圖8 2種工況下不同接觸面密封接觸應(yīng)力分布Fig.8 Contact stress distribution of different contact faces under two working conditions

按照API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)程序,先使用液壓大鉗對(duì)接頭進(jìn)行9次以上的循環(huán)上卸扣試驗(yàn),然后對(duì)接頭進(jìn)行氣密封試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明,該接頭的兩個(gè)主密封面均未出現(xiàn)黏結(jié)現(xiàn)象,同時(shí)氣密封能力達(dá)到了API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)的要求,試驗(yàn)壓力最大達(dá)到72 MPa。圖9為接頭樣件試驗(yàn)后的照片。

圖9 試驗(yàn)后的接頭Fig.9 Connector after the test

5 結(jié) 論

(1)提出了一種新的雙主密封結(jié)構(gòu)——錐面對(duì)錐面和柱面對(duì)球面組合密封。這種雙主密封特殊螺紋接頭相比API接頭,大大增強(qiáng)了接頭在復(fù)合載荷下的密封能力,同時(shí)加工難度更小。經(jīng)過(guò)計(jì)算,雙主密封特殊螺紋抗拉強(qiáng)度相對(duì)API螺紋提高30%,抗外壓強(qiáng)度相對(duì)API螺紋提高20%。

(2)通過(guò)接頭樣件的全尺寸試驗(yàn)對(duì)有限元分析的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證,證明了設(shè)計(jì)的雙主密封螺紋接頭具有良好的抗黏扣性能和氣密封性能。

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