钻杆螺纹的结构优化与有限元模拟

钴杆螺纹破坏的主要原因是钻杆所受的交变载荷大,产生了较大的应力集中.为缓解内螺纹小端应力集中,在钻杆(如钻铤、方钻杆等)上设计和使用了应力减轻槽结构,这些钻杆在使用过程中取得了良好的效果.基于螺纹牙的强度计算公式,用ANSYS软件建立了钻杆螺纹连接有限元分析模型,对有应力减轻槽的钴杆螺纹接触处进行应力分析,并和普通螺纹进行了对比,结果表明,加应力减轻槽的钻杆螺纹所受应力大大减小,有益于延长钻杆的使用寿命.     

石油取芯钻具外管螺纹的结构分析和参数优化

以某型号的石油取芯钻具外管螺纹结构优化为例,利用APDL语言建立外管接头螺纹的二维有限元模型,并对其进行了接触非线性有限元分析,对外管螺纹的强度进行分析校核,得出螺纹能够承受的最大扭矩。研究了钻杆螺纹牙数、牙型角、牙齿高和应力缓解槽等参数对螺纹强度的影响规律,并实现对牙齿高的优化。结果表明:需要保留的参数有牙数、牙型角和应力缓解槽;需要改进的参数为牙齿高,且变化范围在(1.7~2.0)mm。适当改变牙齿高,可以有效改善接头螺纹内部的应力分布状态,优化后的接头螺纹整体强度提高约14.07%。     

特殊管螺纹及其量规设计

地质钻探管材螺纹尚未制订国家标准,目前图纸多是对国外钻具的测绘。因此,这类螺纹量具的设计属于非标螺纹量具设计。地质勘探钻杆属于薄壁细长轴件,用以传递较大的回转扭矩及钻进压力,其工作状况复杂,薄壁上切出螺纹,加之牙底和螺纹尾部产生的应力集中,使螺纹部分成为钻杆最薄弱环节,钻杆折断事故多发生在螺纹联接部位,因此,钻杆螺纹的加工及其质量控制至关重要。本文重点介绍该类螺纹量规的设计。进行量规设计的基础一是螺纹特点分析;二是螺纹加工中的控制分析。     

实时导向螺杆钻具钻柱螺纹动力学特性及优化设计方法

由于钻井过程中载荷具有冲击性、不稳定性，螺杆钻具联接螺纹失效率居高不下。为提高螺杆钻具使用寿命，利用ANSYS建立了2-7/8REG和4-1/2REG螺纹分别在压力、弯矩、转矩3种载荷条件下的三维有限元分析模型，建立了减应力槽、切削第一啮合齿、双台肩3种优化结构，在3种载荷条件下对3种优化结构的力学行为和优化效果进行了对比分析，为螺杆钻具螺纹不同主失效原因的结构优化提供了选择依据。研究表明：压力载荷条件下的应力集中仅双台肩结构发生降低，降低比例为40%左右；弯矩载荷条件下，降低应力集中程度由大到小的结构顺序为减应力槽、切削第一啮合齿、双台肩；转c3矩载荷条件下，减应力槽结构能够降低以4-¹/₂REG螺纹为例的大型螺纹的应力r集3中，比例为12.7%，但会加重以2-⁷/₈REG螺纹为例的小型螺纹的应力集中，此外，切削第一啮合齿和双台肩结构的降低程度均在10%左右。     

定向钻穿越S135钢级钻杆的断裂分析

为查明某定向钻穿越S135钢级钻杆断裂的原因,对失效钻杆的断口形貌、化学成分、力学性能和微观组织进行了分析,并运用断裂力学理论进行了相关计算。结果表明:失效钻杆的断裂性质属于脆性断裂;钻杆在生产过程中,管体加厚过渡带外表面存在横向淬火裂纹,使用时裂纹尖端形成了较大的应力集中,当裂纹尖端实际受到的应力大于裂纹发生失稳扩展的临界应力时,钻杆便发生断裂失效。     

工程用钻杆螺纹断裂失效研究

工程用坑道钻机钻杆在孔内受各种载荷作用,包括弯曲、扭转、振动及拉压等,钻进时经常出现钻杆断裂现象,严重影响正常生产.从钻杆接头连接螺纹失效类型分析入手,考虑实际工作载荷对钻杆联结螺纹进行力学分析.基于有限单元法,建立了钻杆连接螺纹接触有限元模型,针对Φ42钻杆进行了强度分析,并对钻杆材质进行了断口的形貌、化学成分测量、硬度测量、金相分析,得出钻杆接头螺纹应力偏高,热处理工艺不稳定为钻杆断裂失效的主要原因,研究为进一步优化钻杆结构提供了重要依据,具有重要的理论意义及工程应用价值.     

珩磨顶杆的有限元分析及结构优化

小顶杆是珩磨工艺中最容易损坏的零件之一,主要原因是杆顶端螺纹处产生应力集中和顶杆中部产生弯曲变形。用ANSYS有限元分析软件完成建模后对小顶杆进行应力及变形分析。根据变形图和等值应力分布云图分析得出,螺纹连接是整体结构的薄弱部分,应力集中主要出现在前3道螺纹处,这是导致小顶杆损坏的直接原因。据此提出了小顶杆结构优化的改进方案,并进行有限元分析验证,得出螺纹最大Von Mises应力由改进前的108MPa降低为98MPa。为杆类结构和螺纹连接设计提供了理论依据,对螺纹连接在工程实际中的推广使用有着重要的意义。     

基于S59地质钻杆接头螺纹的研究与改进

针对现有国家地质标准中S59钻杆接头二维模型的有限元分析情况,论述了S59螺纹钻杆接头在ANSYA有限元分析中加载后的产生应力值和应力分布状况,研究了钻杆结构中存在的问题,提出针对S59钻杆接头结构的改进措施。研究表明,通过适当改变锥度、密封尖角和增加接触牙对数能够改善S59钻杆接头螺纹的受力情况。     

基于3D成像的钻杆螺纹自动化检测系统

钻杆在使用一段时间后需进行检测与维修.传统钻杆螺纹检测以人工检测为主,但人工检测速度慢、准确性差.本文提出了一种高自动化、高精度的非接触式钻杆螺纹检测方案,基于3D成像技术,利用3D激光相机对钻杆螺纹进行周向旋转扫描,获取钻杆螺纹三维图像的同时得到螺纹牙廓线图形,通过计算螺纹牙廓线图形得出螺纹各项参数数值大小,并与规定...     

柔性螺母连接结构参数影响分析

针对传统螺栓预紧连接中螺纹牙根部应力集中现象严重,螺栓易发生断裂失效的现状,设计出了一种柔性螺母结构。采用有限元计算方法,探讨了柔性螺母结构参数对螺栓连接应力分布的影响,并分析了相关作用机制,得到如下结论:相比于普通螺母连接,柔性螺母连接的螺栓第一道螺纹牙应力下降约为54%,应力集中程度明显减小,最大应力下降了37.1%,螺纹应力沿轴向分布趋于均匀,降低了螺栓发生疲劳断裂的风险;螺母螺纹牙的最大应力下降了14.7%,不均匀程度也有改善;支撑面倾角θ的存在,只是改变了螺栓连接系统的应力分布状态,其大小的改变对降低结构应力水平的影响不大;当D/e在1.15左右时,柔性螺母变直径处的应力集中可以减小甚至消除;柔性螺母连接的螺纹牙最大应力及其应力均匀化程度,与柔性螺母总厚度H的增加和支撑面宽度L呈正比,与六角段厚度h呈反比。     

钻柱接头扣型改进设计的有限元分析

螺纹根部应力集中是导致钻柱接头失效的主要原因之一。文中采用有限元方法分析多种针对NC46扣型的改进设计方案,包括扩大螺纹根部圆弧半径、公母扣大端切削以及改变公扣锥度。详细分析各种改进设计方案对螺纹根部应力集中的影响,以及螺齿上接触载荷的分布变化。研究结果表明,改变公扣锥度方案对降低公扣根部应力集中的效果最好,其次是对螺纹大端进行切削的方案和采用SST扣方案。     

某定向井φ139.7mm钻杆接头刺漏原因

某定向井在钻井作业时发生钻杆接头刺漏事件,采用显微组织、断口形貌观察,化学成分、力学性能测试等方法分析了刺漏原因。结果表明:钻杆在服役过程中受到较大的弯曲应力,其内螺纹接头18°吊卡台肩根部产生应力集中,同时台肩根部存在周向划痕,导致疲劳裂纹萌生并扩展;钻杆钻进过程中,弯曲应力增大,裂纹扩展速率加快,刺穿整个壁厚导致刺漏。建议优化钻杆结构,并严格控制钻杆加工工艺,避免产生划痕,同时减缓台肩根部的应力集中。     

某井S135钢级钻杆腐蚀失效原因

某井S135钢级钻杆在钻进约2 395 m时发生腐蚀失效。采用宏观形貌、断口形貌观察,显微组织分析,化学成分、硬度、腐蚀产物成分测试对其失效原因进行了分析。结果表明:该钻杆的失效方式为腐蚀疲劳失效,钻杆内壁的氧含量偏高及内壁加厚过渡带区域存在应力集中,导致加厚过渡带区域发生严重点蚀,点蚀坑底部萌生疲劳裂纹并扩展,最终钻杆失效;建议使用内壁带防腐涂层的钻杆,并在钻井液中添加缓蚀剂,降低溶解氧对内壁的腐蚀作用,同时优化井深结构,减缓内壁加厚过渡带区域的应力集中。     

极限工况下钻杆接头疲劳分析

近年来,超深井、大位移井的数量持续增加,钻进时钻杆失效问题也越来越多。针对钻杆失效问题,进行了极限工况下的钻杆接头疲劳分析。分析结果表明:超深井及大位移井钻探时,采用高抗扭结构钻杆,相比常规钻杆,整体寿命延长86%,最大应力减小8.3%;采用高抗弯结构钻杆,相比常规钻杆,整体寿命延长652%,最大应力减小8.6%。通过合理调整转速和钻压,可以延长钻杆的疲劳周期,提高安全因数。     

封井后提放钻杆过程中球形防喷器胶芯力学行为*

球形防喷器封井后强行起下钻作业极易导致胶芯密封失效,为研究动密封过程中防喷器胶芯失效机制,基于橡胶大变形理论建立球形防喷器动态密封数值模型,探究球形防喷器胶芯在封井和起下钻过程的应力分布和失效模式。结果表明：球形防喷器密封钻杆后,胶芯内壁会产生条状褶皱,支撑筋下板块拐角处产生鼓点状应力分布,颈部和背部存在应力集中现象;当钻杆倾斜时,钻杆与胶芯接触密封区也发生倾斜,胶芯左右两侧应力小幅增大;起下钻过程中,胶芯内壁的条状应力集中变为片状分布,钻杆接头进出密封区域时,接触应力发生突变。     

地质钻杆镦头过程中产生裂纹的原因分析与解决方法

钻杆在加工过程中需要对两头进行镦头加厚处理,但经处理后的钻杆头部在后续加工中成批出现裂纹.通过对钻杆材质采用化学成分分析、光学显微镜金相组织检查以及力学性能测试等方法,对出现裂纹的部位进行了分析.结果表明,材料原始组织铁素体和珠光体呈带状分布,导致材料出现各向异性.在镦头过程中,应力在镦头变径处造成集中,超过了材料的抗弯极限,导致其发生脆性开裂,从而出现裂纹.经试验,合理选择加热速度和冷却时间,可以减缓材料带状组织的影响,降低镦头部位出现裂纹.     

矿用螺旋式钻杆的疲劳应力分析

螺旋钻杆是松软煤层钻孔过程中的重要钻具。因此,针对六方形接头螺旋钻杆建立了有限元模型,并将分析模型导入ANSYS对其进行仿真疲劳分析,得到六方形螺旋钻杆的应力集中点,疲劳寿命及疲劳安全因子图等,为结构优化设计提供了理论依据。     

采矿钻杆公、母锥螺纹的加工研究

研究采矿钻杆所用公、母配合锥螺纹的加工,对英制锥螺纹进行数学处理后利用数控车床完成加工,替企业解决生产的难题,能够获得了较好的加工精度和加工效率。     

柔性钻杆O形圈球面密封性能研究

柔性钻杆已成为老井改造和增产提效的重要工具,为保障柔性钻杆球面密封的可靠性,对设计的一种O形圈球面密封结构开展数值模拟和试验研究。基于ANSYS有限元分析软件探究密封间隙、流体压力、转动角度以及有无挡环等因素对O形圈von Mises应力、接触应力、有效密封宽度等密封特性参数的影响。结果表明：流体压力与密封间隙存在耦合关系,流体压力越高要求密封间隙越小;往复转动会导致最大von Mises应力和最大接触应力升高,且随着密封间隙增大而影响加剧;挡环的安装可有效防止在密封间隙和流体压力较大时O形圈挤入缝隙。通过室内试验验证了O形圈球面密封结构的可靠性,为现场应用提供了理论依据和技术支撑。     

麻花钻刚度的有限元分析

钻头的刚度对于研究钻削机理和改进钻头结构具有重要意义。利用有限元分析方法，建立了麻花钻有限元力学模型，对钻头的扭转刚度、弯曲刚度和受压刚度进行了分析计算。结果表明在钻削过程中，横刃处和钻头螺旋槽根部应力最集中，最容易产生损坏，加大钻芯厚度可以大大提高钻头刚度和强度。为优化钻头结构参数，提高其切削性能和耐用度的研究提供了基础。