基于ISO 13679A系载荷的特殊螺纹接头密封性能仿真研究.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:单涵,王成,许雷明,等基于 系载荷的特殊螺纹接头密封性能仿真研究润滑与密封,():,():基金项目:中国石油科技创新基金项目()收稿日期:;修回日期:作者简介:单涵(),男,硕士研究生,研究方向为机械结构仿真分析。:。通信作者:高连新(),男,博士,副教授,研究方向为先进 制 造 工 艺 技 术 与 有 限 元 仿 真。:。基于 系载荷的特殊螺纹接头密封性能仿真研究单 涵 王 成 许雷明 高连新(华东理工大学机械与动力工程学院 上海;江苏常宝普莱森钢管有限公司 江苏常州)摘要:基于 标准和密封性能机制,借助有限元软件对某特殊螺纹接头进行高温和室温环
2、境下 系全包络线载荷试验评价,分析其在服役环境下的密封性能。依据密封性能机制分析不同载荷循环后的密封能与密封能倍数变化规律,并对关键载荷点进行密封性能的对比分析。研究表明:特殊螺纹接头对高温()和室温(等效应力水平)包络线载荷循环相对敏感,密封面的平均塑性应变是影响接头密封性能的重要因素,一次完整 系循环试验后,特殊螺纹接头密封面上的接触应力和接触长度均减小,接头整体仍能保持气密封性能。运用有限元分析方法可有效模拟 系试验过程中的受载条件,且密封性能仿真结果与实物试验结果一致。该方法可提高特殊螺纹接头的开发效率,具有替代实物试验的可行性。关键词:特殊螺纹接头;密封性能;仿真评价;塑性应变;中图
3、分类号:(,;,):,()(),:;随着我国油气井开发不断向深井、超深井等高难度复杂井发展,油井的复杂工况对油套管性能提出了更加严苛的要求。特殊螺纹接头作为管柱连接中最为薄弱的环节,确保其密封性能对于油气田开发起着尤为重要的作用。目前对于特殊螺纹接头密封性能评价的方法主要包括解析法、试验法及有限元分析方法。是目前国内外广泛采用的特殊螺纹接头性能评价标准,依据该标准可最为直观准确地评价接头性能,但存在试验成本高,试验周期长以及对试验资质单位要求高等局限性。由于特殊螺纹结构设计复杂,接触性能复杂以及受载条件的多样性,难以用解析法准确描述接头的密封性能。随着计算机技术的进步,有限元分析方法逐渐成为研
4、究开发的重要工具。近些年来,国内外学者采用有限元方法研究了特殊螺纹接头的微观应变、局部受力以及气密封性能。曹银萍等依据 系试验载荷仿真分析了某特殊螺纹接头的密封性能,研究了弯曲载荷对接头应力及接触压力分布状态的影响。窦益华等仿真分析了不同上扣扭矩对特殊螺纹接头应力分布的影响,提出了最佳上扣扭矩下接头的密封性能最佳。曹银萍等按照 热循环试验施加载荷,仿真分析了某特殊螺纹接头的连接强度与密封性能。上述文献均借助有限元软件仿真分析了特殊螺纹接头的密封性能,但基于 系试验载荷的特殊螺纹接头仿真研究较少。本文作者基于 系标准试验程序以及接头密封机制,运用有限元分析方法模拟了特殊螺纹接头受载条件,并仿真分
5、析了其密封性能,密封性能仿真结果与实物试验结果一致,证明该方法具有替代实物试验的可行性。特殊螺纹接头的密封机制目前主要有 种评价特殊螺纹接头密封性能的方法。一种是实物试验的评价方法,依据 规定的密封准则(气体泄漏量)来判定特殊螺纹的气密封性能,如 内特殊螺纹接头的气体泄漏量小于等于 ,则判定其密封性能合格。虽然实物试验的方法能最为准确地验证特殊螺纹的实际气密封性能,在产品开发中起着不可替代的作用,但是其具有时间周期长、经济成本高等局限性,并且无法了解特殊螺纹微观受力。第二种是通过有限元分析方法来获取密封面上的接触长度与接触应力,依据密封机制来判断特殊螺纹接头在不同工况下的气密封性能。运用有限元
6、分析方法可以了解特殊螺纹受力特点,并且可提高研发效率、节省人力物力。特殊螺纹接头结构中公扣与接箍的主密封面通过金属 金属过盈配合实现密封,再加上扭矩台肩的辅助密封作用,与仅依靠螺纹配合来实现密封的传统 接头相比具有更优异的气密封性能。年,针对气密封性能要求苛刻的热采井,等研究了金属 金属密封面的密封性能与接触应力以及接触长度的关系,提出了密封指数作为特殊螺纹接头密封性能的判断依据,见公式()。()()式中:为密封接触长度,;()为密封接触长度上的接触应力,;为密封相关性指数,有螺纹脂时 取 ,无螺纹脂时 取 。密封指数法虽然考虑了接触应力与接触长度对密封性能的影响,但未考虑泄漏速率以及密封面直
7、径对密封性能的影响,对特殊螺纹的气密封性能判定具有一定的局限性。年,和 在实物试验的基础之上,考虑了螺纹的密封面直径、密封接触压力、泄漏速率 以及表面涂层等多因素,提出了有限元分析的气密性判据,其中密封能 表达式见公式(),密封有效内 外压所需的密封能 表达式见公式(),密封能倍数 表达式见公式()。若 则说明接头具有密封性,且该值越大说明气密封性能越好。文中采用密封能作为特殊螺纹接头密封性能的判据。()()()()式中:为密封接触长度,;为密封能加权指数,取 ;为密封常数;为表面处理影响系数,取 ;为 表 面 粗 糙 度 影 响 系 数,取;为密封有效压力,。系载荷包络线试验简介 中 系载荷
8、包络线试验的目的是评价高载荷及复合载荷时螺纹接头是否能满足密封性能。该试验是通过对试样施加外压 内压和拉伸 压缩载荷,使其接近最大服役条件并加速潜在的泄漏可能性。是分别在高温和室温下加载。系试验分为 个部分:()高温试验(),()循环试验,()室温试验(和),其中 表示等效应力水平。系高温试验与室温试验中,载荷点按逆时针顺时针方向在 (试验载荷包络线)的 个象限中施加。系 循环试验中,载荷在 载荷点 和 载荷点 之间循环施加,载荷点 温度控制在 以下,载荷点 温度为试验高温。文中以规格 某油管特殊螺纹接头为研究对象,依据 标准,在 年第 期单 涵等:基于 系载荷的特殊螺纹接头密封性能仿真研究
9、个密封试样中,试样、为螺纹过盈量高且密封过盈量低,是理论上最容易泄漏的试样,因此选取试样 来检验该特殊螺纹的密封性能,样管参数如表 所示,样管的拉伸效率及压缩效率均为。表 样管参数 屈服强度 规定壁厚 平均壁厚 最小壁厚 高温放大系数 系试验载荷包络线包括高温 试验载荷包络线,循环试验载荷包络线以及室温和 试验载荷包络线,系载荷包络线试验载荷谱如表 和图 所示。表 系包络线试验载荷谱 项目环境温度 循环次数载荷 载荷谱高温载荷循环图()载荷温度循环,图()室温载荷循环图()室温载荷循环图()图 级 系载荷循环试验 :();();();()特殊螺纹接头有限元模型建立及载荷施加该接头密封面采用锥面
10、锥面密封,由于螺纹连接部位在承受较大拉伸、压缩、内压以及外挤等载荷时应变较大,螺纹在上扣和使用过程中一般会出现局部的塑性变形。油管在高温()以及室温()下的实测拉伸曲线如图 所示。在有限元分析时需将工程应力、工程应变转换为真实应力、对数应变进行计算。有限元模型采用 四结点双线性轴对称四边形单元进行网格划分,在密封面、扭矩台肩以及螺纹进行网格细化。该特殊螺纹接头的有限元模型如图 所示,其中油管公扣接头的网格数量为 个,接箍处网格数量为 个。在有限元建模时需进行以下简化和假设:()由于螺纹升角很小,可忽略其影响,将接头视为二维轴对称结构;()接头的材料为低合金钢或高合金钢,可视为各向同性体;()接
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