唐家睿，晁利寧，徐 凱，周新義，汪 強(qiáng)，楊曉龍

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

隨著深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱采井、重腐蝕井、定向井等的開采，對石油套管提出了越來越苛刻的技術(shù)要求［1］。據(jù)統(tǒng)計，接頭部位是整個管柱最薄弱的環(huán)節(jié)［2］；因此，接頭的性能直接決定了石油套管產(chǎn)品乃至整個管柱的性能［3］。

2002 年發(fā)布的 ISO 13679 ∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》是油套管特殊螺紋實(shí)物力學(xué)性能評價的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)程序復(fù)雜，試驗(yàn)周期長、成本高，對試驗(yàn)設(shè)備要求極高。目前，國內(nèi)僅有極少數(shù)單位具備開展該評價試驗(yàn)的硬件條件和檢驗(yàn)資質(zhì)［4-9］。

由于特殊螺紋接頭材料的塑性變形、特殊螺紋結(jié)構(gòu)接觸的復(fù)雜性及載荷工況的多樣性，難以用解析法描述接頭密封完整性問題［10］；因此，有必要借助于有限元數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)特殊螺紋接頭密封可靠性分析。近年來，國內(nèi)外學(xué)者及技術(shù)人員已將有限元分析技術(shù)應(yīng)用于特殊螺紋的氣密封性評價、疲勞設(shè)計、強(qiáng)度分析等方面。XIE 等使用有限元方法研究了熱采井循環(huán)載荷作用下API 套管和特殊螺紋套管的結(jié)構(gòu)完整性和密封能力，對比分析表明特殊螺紋最適合于熱采井［11］。竇益華等使用三維有限元方法，分析了不同上扣扭矩對特殊螺紋接頭扭矩曲線及接觸壓力分布的影響［12］。這些研究對新型螺紋油套管的開發(fā)提供了很好的指導(dǎo)，但按照ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)內(nèi)容和程序?qū)τ吞坠芴厥饴菁y性能進(jìn)行系統(tǒng)性地仿真評價卻不多。

本文以 P110 鋼級 Φ177.8 mm×10.36 mm 規(guī)格油套管的某特殊螺紋接頭為分析對象，基于ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)CAL Ⅱ的試驗(yàn)程序和方法及密封接觸能理論，結(jié)合有限元仿真分析與實(shí)物評價試驗(yàn)，綜合評價該特殊螺紋接頭的密封性能。

1 特殊螺紋接頭密封性能有限元分析

1.1 研究對象

以某特殊螺紋為研究對象，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。該特殊螺紋接頭主要由三部分組成：螺紋部分、密封面及臺肩。其中，密封面采用的是球面對錐面金屬過盈的密封形式，該密封形式具有上扣劃移距離長，平均接觸壓力高，局部壓力低，接觸長度長的優(yōu)點(diǎn)［13］。臺肩處采用直角結(jié)構(gòu)形式，方便加工且靠自身過盈接觸實(shí)現(xiàn)密封［14］。螺紋連接形式為BJC－Ⅰ型。油套管屈服強(qiáng)度762 MPa，抗拉強(qiáng)度913 MPa，彈性模量210 GPa，摩擦因數(shù)0.025，泊松比0.3。

圖1 某特殊螺紋的幾何結(jié)構(gòu)示意

1.2 理論分析

ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)中載荷包絡(luò)線試驗(yàn)的目的是評價特殊螺紋接頭在實(shí)際安全使用時的最大載荷或復(fù)合載荷作用下是否能保證其結(jié)構(gòu)完整性及密封性能。復(fù)合載荷包絡(luò)線是用Von Mises 應(yīng)變能理論計算得出的，它指出了復(fù)合加載時的屈服現(xiàn)象，可由公式（1）～（4），用單個主應(yīng)力計算出來。

式中 σV—— Von Mises 等效應(yīng)力，MPa；

σa—— 軸向應(yīng)力，MPa；

σh—— 環(huán)向應(yīng)力，MPa；

σr—— 徑向應(yīng)力，MPa；

Fa—— 軸向總載荷，kN；

D —— 管體外徑，mm；

t —— 管體壁厚，mm；

Ap—— 管體截面面積，mm2；

Po—— 外壓，MPa；

ko—— 幾何常數(shù)；

Pi—— 內(nèi)壓，MPa。

油套管特殊螺紋接頭的試驗(yàn)載荷包絡(luò)線如圖2所示。

圖2 油套管特殊螺紋接頭的試驗(yàn)載荷包絡(luò)線

根據(jù)ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)，首先對特殊螺紋接頭進(jìn)行上卸扣有限元分析，評價螺紋在上卸扣過程中是否會發(fā)生黏結(jié)，從而導(dǎo)致螺紋連接強(qiáng)度降低、螺紋密封面損壞、密封性能下降；隨后對特殊螺紋接頭進(jìn)行載荷包絡(luò)線試驗(yàn)有限元分析，評價其在復(fù)合載荷作用下的結(jié)構(gòu)完整性及密封性能。

1.3 有限元模型的建立

假設(shè)管體和接箍均為理想圓管，管體和接箍均為線性強(qiáng)化模型，兩者的本構(gòu)模型為材料實(shí)際的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

運(yùn)用ABAQUS 軟件時，將特殊螺紋接頭三維模型簡化為平面2D 模型進(jìn)行分析，以提高計算效率。管體和接箍均選用軸對稱單元，內(nèi)螺紋單元數(shù)77 655 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)78 004 個；外螺紋單元數(shù)124 871 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)125 924 個。管體底部施加Y 方向的對稱約束。頂部施加與油田實(shí)際工況一致的拉伸、壓縮載荷及內(nèi)壓。有限元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

1.4 計算結(jié)果與分析

選取上扣扭矩最小、最容易在復(fù)合加載試驗(yàn)中發(fā)生泄漏的1 號試樣進(jìn)行實(shí)際油田工況載荷分析。

1.4.1 上扣分析

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

由上扣螺紋及密封面應(yīng)力－應(yīng)變云圖（圖4）可以看出：1 號試樣上扣完成后，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上的倒數(shù)第二個齒頂，最大等效應(yīng)力為765 MPa；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在510 MPa 左右，未超過材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.002 5%。

1.4.2 拉伸載荷

由于實(shí)際工況中載荷較大，因此選取最嚴(yán)苛的拉伸載荷點(diǎn)進(jìn)行分析。加載95%拉伸載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變云圖如圖5 所示。

圖4 上扣螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變云圖

圖5 加載95%拉伸載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變云圖

由圖5 可以看出：壁厚為10.36 mm 的1 號試樣上扣完成后，加載95%的拉伸載荷，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上的倒數(shù)第二個齒頂，最大等效應(yīng)力為913.7 MPa；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在764 MPa 左右，未超過材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.399%。

1.4.3 壓縮載荷

加載60%壓縮載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變云圖如圖6 所示。從圖6 可以看出：壁厚為10.36 mm 的1 號試樣上加載60%壓力后，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上中間的齒頂，最大等效應(yīng)力為912 MPa，相對于壁厚為9.19 mm 的要大；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在619.8 MPa 左右，未超過材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.329%。

1.4.4 拉伸載荷和內(nèi)壓

加載95%拉伸載荷+內(nèi)壓60 MPa 后螺紋及密封面的應(yīng)力-應(yīng)變云圖如圖7 所示。從圖7 可以看出：1 號試樣加載95%拉伸載荷+內(nèi)壓60 MPa 載荷條件下，等效應(yīng)力的最大值位于接箍上倒數(shù)第二個齒頂，最大等效應(yīng)力為913.7 MPa；密封面處的等效應(yīng)力分布比較均勻，均在764 MPa 左右，未超過材料的屈服強(qiáng)度；等效塑性應(yīng)變分布跟等效應(yīng)力的位置相同，其最大值為0.399%。

1.4.5 密封面處定量分析

針對關(guān)鍵部位密封面，分析了特殊螺紋接頭上扣及加載各個關(guān)鍵點(diǎn)完成后，密封面處受力與接觸面接觸長度之間的關(guān)系，如圖8 所示。

圖6 加載60%壓縮載荷后螺紋及密封面的應(yīng)力－應(yīng)變云圖

圖7 加載95%拉伸載荷+內(nèi)壓60 MPa 后螺紋及密封面的應(yīng)力－應(yīng)變云圖

圖8 不同階段密封面接觸壓力與密封面接觸長度關(guān)系對比

上扣后，接觸長度為1.2 mm 時，管體接觸壓力開始增大，接觸長度為2.0 mm 時達(dá)到最大，最大值為438 MPa。隨著接觸長度的增加，接觸壓力逐漸減小，在接觸長度為2.8 mm 時，接觸壓力為25.6 MPa。整個接觸長度為1.2～2.8 mm。

加載95%拉伸載荷后，管體接觸壓力在接觸長度為1.7 mm 時開始增大，在接觸長度為2.3 mm 時達(dá)到最大，最大值為379 MPa。隨著接觸長度的增加，接觸壓力逐漸減小，在接觸長度為2.9 mm 時，接觸壓力為137.1 MPa。整個接觸長度為1.7～2.9 mm。

加載60%壓縮載荷后，管體接觸壓力在接觸長度1.5 mm 時開始增大，在接觸長度為2.2 mm 時達(dá)到最大值441.8 MPa。隨著接觸長度的增加，接觸壓力逐漸減小，在接觸長度為2.9 mm時，接觸壓力為96.3 MPa。整個接觸長度為1.5～2.9 mm。

對該特殊螺紋接頭進(jìn)行上卸扣及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過程的有限元分析結(jié)果表明，該特殊螺紋接頭在上卸扣及復(fù)合載荷的作用下等效應(yīng)力分布比較均勻，未超過材料的屈服強(qiáng)度，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

2 實(shí)物評價試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù) ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn) CAL Ⅱ?qū)λx取的特殊螺紋極限試樣進(jìn)行實(shí)物評價試驗(yàn)。實(shí)物評價試驗(yàn)試樣編號及試驗(yàn)?zāi)康囊姳?。其中，1 號極限試樣屬于密封低過盈樣，且上扣扭矩最小，最容易在復(fù)合加載試驗(yàn)中發(fā)生泄漏；4 號極限試樣屬于密封高過盈樣，且上扣扭矩最大，最容易在上卸扣試驗(yàn)中發(fā)生螺紋黏結(jié)。所以，選取1 號、4 號極限試樣進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)物評價試驗(yàn)技術(shù)路線如圖9 所示。

2.2 上卸扣性能評價試驗(yàn)

根據(jù) ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn) CAL Ⅱ?qū)O限試樣進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。由于4 號極限試樣屬于密封高過盈樣，在上卸扣試驗(yàn)中外螺紋密封面經(jīng)常會出現(xiàn)輕微塑變；而在上卸扣過程中，接頭橢圓度會在夾持力的作用下發(fā)生變化，背鉗加持位置越靠下，接頭的橢圓度越小。背鉗夾持位置對接頭橢圓度的影響如圖10 所示。通過調(diào)整夾持力和背鉗夾持位置，解決4 號極限試樣密封面上卸扣輕微塑變問題。

表1 實(shí)物評價試驗(yàn)試樣編號及試驗(yàn)?zāi)康?/p>

圖9 實(shí)物評價試驗(yàn)技術(shù)路線

圖10 背鉗夾持位置對接頭橢圓度的影響

試樣上卸扣試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表2，上卸扣后形貌如圖11 所示。結(jié)果表明：1 號和4 號試樣在上卸扣試驗(yàn)均未發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。極限試樣臺肩扭矩與上扣扭矩的比值為0.33～0.60。其中1 號試樣的比值比較低，這主要是由于1 號試樣螺紋及密封過盈量較??；4 號試樣的比值較高，主要是由于4 號試樣螺紋及密封過盈量較大。

表2 試樣上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

2.3 載荷包絡(luò)線試驗(yàn)

根據(jù) ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn) CAL Ⅱ要求，對 1號和4 號極限試樣進(jìn)行載荷包絡(luò)線試驗(yàn)，先后進(jìn)行彎曲條件下拉伸/壓縮和內(nèi)壓試驗(yàn)（B 系試驗(yàn)），以及拉伸和內(nèi)壓條件下熱循環(huán)試驗(yàn)（C 系試驗(yàn)）。載荷包絡(luò)線試驗(yàn)載荷點(diǎn)見表3。

通過試驗(yàn)觀察，在整個載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過程中，1 號、4 號極限試樣未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

3 結(jié) 論

圖11 1 號試樣上卸扣后形貌

（1） 通過對該特殊螺紋接頭進(jìn)行上卸扣及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過程的有限元分析，其在上卸扣及復(fù)合載荷的作用下等效應(yīng)力分布比較均勻，未超過材料的屈服強(qiáng)度，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

（2） 通過對該特殊螺紋接頭1 號和4 號極限試樣進(jìn)行實(shí)物評價，在整個上卸扣及載荷包絡(luò)線試驗(yàn)過程中，都未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效及泄漏現(xiàn)象，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。

表3 載荷包絡(luò)線試驗(yàn)載荷點(diǎn)

（3） 以某特殊螺紋接頭為分析對象，基于ISO 13679 ∶2002 標(biāo)準(zhǔn)，通過有限元方法評價該特殊螺紋接頭的密封性能，并與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，證明該特殊螺紋接頭在復(fù)合載荷工況下可以保持良好的連接強(qiáng)度和可靠的氣密封性能。這種評價方法是評價特殊螺紋接頭密封性能的一種有效方法，為之后的研究、設(shè)計、選用及優(yōu)化提供依據(jù)。