特殊螺纹油管接头重复上卸扣后的密封性能研究_单涵.pdf
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1、第 卷第 期压 力 容 器 年 月:收稿日期:修稿日期:基金项目:中国石油科技创新基金项目“用于水平井套变治理的新型膨胀套管接头金属密封研究”()设 计 计 算特殊螺纹油管接头重复上卸扣后的密封性能研究单 涵,高连新,王 成,戴涵洋(华东理工大学 机械与动力工程学院,上海;江苏常宝钢管股份有限公司,江苏常州)摘 要:规定特殊螺纹油管的气密封试验需要在 次上卸扣后进行,且特殊螺纹接头的上扣性能直接影响到其服役时的密封性能与连接强度。为探索有限元方法动态模拟多次上卸扣试验的可行性,建立了某锥面 锥面密封型特殊螺纹油管接头上卸扣的有限元模型,对该接头进行了 次上卸扣的全过程模拟,仿真分析了该接头的密
2、封性能,并进行了实物试验验证。研究结果表明:特殊螺纹接头的气密封性能随着上卸扣次数的增加而降低,最终其密封指数降低为第 次上扣时的;密封面处的塑性应变是影响接头密封性能的重要原因;随着上扣次数的增加,特殊螺纹接头的密封接触长度呈现先减小后增大的趋势;在上卸扣过程中密封面过盈量的变化较为显著。通过与实物试验的对比,验证了该方法的可行性与准确性,为深入了解上卸扣试验对接头密封性能的影响提供了有效方法。关键词:油套管;特殊螺纹接头;密封性能;上卸扣;仿真评价中图分类号:;文献标志码:,(,;,):,;,;,:;.,.,引言随着油气田探勘的不断深入,油气井的开采不断往深井、超深井等高难度复杂井发展,油
3、井的复杂工况对油套管性能提出了更加严苛的要求。为有效减少油气井发生油套管粘扣及泄漏事故,保证油气井开采过程的安全,首先需要保证特殊螺纹接头具有良好的上扣性能。接头的上扣质量直接影响到其服役时的密封性能和连接强度。全尺寸实物试验可最为直观准确地评价接头性能,但存在试验周期长以及试验成本高等局限性。随着计算机技术的进步,有限元分析方法逐渐成为研究开发的重要工具。近些年来,国内外的许多学者提出了不同的方法对特殊螺纹接头的上扣性能进行分析。孙建安等在试验和有限元分析的基础上,介绍了特殊螺纹接头上扣扭矩曲线与接头结构的关系。许红林等建立了特殊螺纹接头上扣扭矩理论计算公式,研究了不同过盈量和螺纹脂摩擦系数
4、对接头总上扣扭矩及其构成的影响规律。窦益华等应用有限元分析方法模拟了特殊螺纹接头的上扣动态过程,并考虑了在最大、最佳、最小扭矩作用下的接头密封性能。目前国内外文献中大多对最终上扣状态进行应力分析,对上卸扣动态模拟以及重复上卸扣过程的仿真研究较少。作为目前被广泛应用的特殊螺纹评价标准,规定了特殊螺纹油管接头的气密封试验需要在 次上卸扣后进行。在进行重复上卸扣试验过程中,接头处的气密封性能会受到一定的影响。本文提出一种有限元分析方法,对某特殊螺纹接头进行 次上卸扣的全过程模拟,仿真分析该接头的密封性能;此外进行相应的实物试验,验证该有限元分析方法的可行性与准确性。特殊螺纹接头有限元模型 结构模型以
5、规 格 、钢 级 为 的某油管特殊螺纹接头为研究对象,该特殊螺纹接头由连接螺纹、扭矩台肩和金属 金属密封面三部分组成,见图。其中连接螺纹的牙型为锯齿形,承载面角度为 ,导向面角度为,螺纹锥度为,有利于螺纹的对扣和上扣。扭矩台肩为,起上扣定位作用,分担螺纹的上扣扭矩,减小接头的环向应力。密封面采用锥面 锥面密封结构。图 特殊螺纹接头示意 材料模型特殊螺纹接头在上卸扣过程中一般会出现局部的塑性变形,因此必须同时考虑弹性应变和塑性应变,建立有限元分析的弹塑性本构模型,在弹性区采用胡克定律,在塑性区采用 屈服准则以及 塑性流动增量理论。关键材料力学性能参数见表,实测拉伸性能曲线见图。表 样管管材力学性
6、能参数 项目杨氏模量屈服强度拉伸强度泊松比数值 图 油管基体材料拉伸曲线 该特殊螺纹接头的有限元模型如图 所示,有限元模型采用 四节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,在进行网格无关性验证后,将密封面 扭矩台肩段的网格大小定义为 ,螺纹段的网格大小定义为 ,端面的网格大小定义为 ,长度方向的网格大小定义为,其中油管公扣接头的网格数量 个,接箍处网格数量 个。单 涵,等:特殊螺纹油管接头重复上卸扣后的密封性能研究图 特殊螺纹接头有限元模型 上卸扣模型 等首次提出了上卸扣的模拟方法,本文对该方法进行了优化改进,并提出了上卸扣有限元模型,如图 所示。该模型的
7、热应变只允许在公扣的阴影区域产生,并且只在轴向发生收缩或伸张。在初始状态下,通过对螺纹啮合过盈量和密封面台肩接触过盈量的匹配,可实现特殊螺纹接头上扣过程的有限元模拟。在该次上扣完成之后,公扣与母扣产生位移,螺纹段、密封面以及台肩处均处于接触状态。在卸扣过程中,公扣的阴影区域发生轴向收缩,公扣与母扣的台肩以及密封面处脱离。在下一次上扣时,公扣的阴影区域发生轴向伸张,公扣与母扣的台肩面以及密封面再次发生接触。该模型模拟了特殊螺纹接头上扣、卸扣以及再次上扣的过程。在有限元建模时需进行以下简化和假设:()由于在实际上卸扣试验过程中,螺纹段的参数尺寸几乎不变,而密封面以及台肩面处的参数尺寸相对变化较大,
8、因此该有限元分析方法忽略了螺纹上卸扣对其密封性能的影响;()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;()接触面的摩擦系数与螺纹脂类型有关,根据摩擦系数经验值给定相应部位,其中螺纹部分摩擦因数取 ,密封面台肩部位摩擦因数取 。图 上卸扣有限元模型 气密封判据 等针对气密封性能要求苛刻的热采井,在实物试验的基础之上研究了金属 金属密封面的密封性能与接触应力以及接触长度的关系,并提出了密封指数法作为判定特殊螺纹接头气密封性能的依据,其公式如下:()()式中,为接触长度,;为接触应力,;为密封相关性指数,取。特殊螺纹接头密封性能仿
9、真分析本文模拟了特殊螺纹接头进行 次上卸扣试验的全过程,在动态模拟过程中对不同接触长度下的接触应力进行记录,在每次上扣完成后对该接头的密封性能进行评估,并通过密封接触长度、接触应力、塑性应变以及样管的轴向与环向应变对其密封性能的变化展开对比分析。密封面接触应力 接触长度决定密封性能的主要因素是密封面上的接触 .,.,应力与有效接触长度。以第 次上扣为例,密封面的接触应力云图见图,该油管的介质压力最大为 ,只有密封面接触压力大于该介质压力时才会起到密封效果,因此将密封面上接触压力大于 的区域定义为有效接触长度。图 为不同上扣次数下的密封面接触应力沿锥度方向分布曲线,图 为密封面上有效接触长度变化
10、历程。图 密封面接触应力分布云图 图 不同上扣次数下接触应力分布曲线 图 有效接触长度变化历程 由图 和图 可知,在 次上卸扣模拟过程中,完成第 次上扣时的密封面上的有效接触长度以及最大接触应力均最大,随着上扣次数的增加,最大接触应力由 逐渐下降至,密封面上的有效接触长度呈现先减小后增大的趋势,其中第 次上扣完成后密封接触长度变化最为明显,由原先的最大有效接触长度 降低至最小有效接触长度 ,之后随着上扣次数的增加,密封面上的有效接触长度逐渐增大。采用密封指数法来评估不同上扣次数下该接头的密封性能,图 为密封指数变化历程,由图 可以看出,随着上扣次数的增加,密封指数呈下降趋势,第 次完成上扣时密
11、封指数的变化量最大,由 降低为 ,完成 次上卸扣后,密封指数降低为第一次上扣时的。由此可说明随着上扣次数的增加,密封性能逐渐下降,其中第 次与第 次的密封性能降低最为显著。结合图 和图 可说明,在第 次到第 次上扣时,密封接触长度相等,但接触应力逐渐下降,从而使密封性能逐渐下降。从第 次上扣开始,随着上扣次数的增加,密封接触长度呈增大的趋势,但接触应力的总体水平逐渐下降,密封性能不断降低。图 密封指数变化历程 密封面等效塑性应变密封面上的塑性应变也是影响特殊螺纹接头密封性能的重要因素,结合图 可知,该接头在第 次、第 次、第 次以及第 次上扣之间的密封性能变化较为显著,因此可将以上 个塑性应变
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