特殊螺纹油管接头上扣性能三维有限元分析

特殊螺纹油管接头有限元分析多采用二维轴对称模型,不考虑螺纹升角,以主密封面与台肩处的渗透量模拟上扣时金属-金属间的过盈配合。该方法不能准确反映上扣时过盈量与扭矩的对应关系。鉴于此,考虑螺纹升角的影响,利用Abaqus软件建立了某特殊螺纹油管接头三维有限元模型,模拟分析了接头在最佳、最小、最大上扣扭矩下的上扣过程。分析结果表明,所建特殊螺纹接头模型加载扭矩曲线与标准上扣扭矩曲线基本相符;3种扭矩作用下,密封面与台肩环向路径上接触应力较大且分布较为均匀,螺纹啮合处虽有应力集中,但3种状态下最大等效应力远小于材料屈服强度且大小几乎相等;最佳扭矩拧紧状态下该型特殊螺纹油管接头具有最好的密封性能与足够大的连接强度。研究结果有助于深入了解上扣扭矩与密封性能和连接强度的关系。     

考虑温度影响的特殊螺纹油管接头有限元分析

为了解不同温度下依靠主密封面密封的特殊螺纹油管接头的力学行为,为特殊螺纹油管接头的设计和使用提供依据,采用Abaqus有限元软件建立了特殊螺纹油管接头三维有限元模型,分析了温度对接头密封面、扭矩台肩及螺纹段Mises应力和接触压力分布规律的影响。分析结果表明:不同温度下,沿螺纹锥度方向螺纹段扣牙最大接触压力及最小接触压力分别位于螺纹段第1扣和第11扣处,符合螺纹扣牙接触压力分布规律;油管接头最大Mises应力均出现在接头密封面及扭矩台肩处;随着温度升高,各螺纹牙Mises应力逐渐增大,而螺纹牙接触压力增加幅度较小;随着温度升高,密封面接触压力呈先增大后减小的趋势;扭矩台肩处接触压力随温度升高而增大。因此,应用于高温高压气井的特殊螺纹油管接头,在设计和实际应用中应考虑温度的影响。     

一种适用于钛合金油管气密封螺纹接头的开发

为了适应国内某“三高”(高温、高压、超高压高温)工况的油气区块的需求,开发了一种适用于钛合金油管的高性能油管特殊螺纹接头。螺纹接头采用负角度承载面和不同内外螺纹齿高参数的牙型、合理的锥面/锥面密封面角度和密封过盈量配合以及接箍内螺纹的负角度扭矩台肩的螺纹接头设计。有限元分析结果表明:该设计可保证螺纹接头具有良好的抗螺纹粘扣性能,以及在室温和高温复合载荷下具有优异的气密封能力。全尺寸实物评价试验表明:设计开发的特殊螺纹接头具有良好的抗螺纹粘扣性能、优异的室温和高温复合载荷条件下气密封性能、较高的抗弯曲能力以及较高的抗压缩能力。     

动载作用下特殊螺纹油管接头密封性对比分析

鉴于目前关于油管接头承受交变载荷的研究多集中在抽油机井用的API油管接头,而关于特殊螺纹接头的研究较少的现状,以2种不同密封结构的特殊螺纹接头为研究对象,建立有限元模型,计算交变载荷下2种接头密封面的接触压力,并对接触压力的变化规律进行对比分析。分析结果表明,随着交变拉伸载荷周期的延长,2种接头密封面最大接触应力均减小,且B型接头减小幅度较大;交变拉伸载荷作用下A型接头的密封性能优于B型接头,交变压缩载荷作用下B型接头的密封性能优于A型接头。     

特殊螺纹气密封性能评价研究

针对特殊螺纹实现高气密封能力的问题,基于密封接触应力分布及其变化规律建立了锥面对锥面主密封过盈接触应力以及井下载荷工况下扭矩台肩面实际接触应力计算模型,并且基于密封接触能机理和密封面极限屈服条件建立了特殊螺纹气密封性能定性评价方法。以锥面对锥面主密封为例,对比分析了7种井下载荷工况对密封面平均接触应力、密封接触长度以及主密封面和台肩面的密封性能影响规律,绘制了防泄漏安全系数为1.0、1.5和2.0时锥面对锥面密封结构的密封包络线。结果表明:轴向拉伸载荷和环空外压会降低主密封结构和台肩面密封性能,轴向压缩载荷和油管温度升高有利于提高主密封结构和台肩面密封性能,而气体内压对主密封面接触应力有自增强效应,但会降低台肩面接触应力;控制合理环空内压以及上扣时台肩面作用扭矩有利于减小井下载荷工况对油管特殊螺纹密封性能的影响;绘制的密封包络线可以方便地设计锥面对锥面密封结构参数。     

特殊扣油管接头的应力及密封特性分析

运用有限元方法对NK-3SB特殊扣油管接头在不同载荷工况下的连接性能进行分析,重点研究了轴向拉力、内部压力对油管接头应力分布、密封性能的影响。计算结果表明,管体螺纹的受力薄弱区域在管体大端第1牙螺纹根部,上扣后仅受轴向拉伸载荷是油管接头的最恶劣工况。密封面上的接触压力随着内压力的增大而增大,但随着轴向载荷的增大而减小,接头的密封性能将主要由点接触(主密封)来保证;另外,在设计轴向载荷下,油管接头可以保证良好的密封性能。研究结果对于NK-3SB油管接头的设计和安全使用具有较好的参考价值。     

锥面球面密封结构特殊螺纹有限元分析

考虑丛式井多级压裂过程中,套损、螺纹泄漏现象严重,利用ANSYS软件建立锥面-球面特殊螺纹模型,研究了内压一定时,不同轴向力下特殊螺纹接头等效应力变化规律和密封面、台肩面接触压力随接触长度变化规律。结果表明,拉伸载荷过大,接箍密封端第一扣完整螺纹牙附近为危险断裂面,螺纹两端粘扣严重。密封面、台肩面接触压力随拉伸载荷增大而减小,但只要拉伸载荷在600 MPa内,密封面接触长度并不会随拉伸载荷增大持续减小。压缩载荷使特殊螺纹密封面、台肩面接触压力、接触长度增加,但同时也会让特殊螺纹接头应力增加,对螺纹连接不利。     

锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能影响

为进一步研究锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能的影响,利用ABAQUS有限元分析软件对不同锥度设计的套管特殊螺纹接头进行了上扣、拉伸、压缩条件下密封接触压力及接触长度的数值模拟。结果表明:内螺纹收尾处平切处理可有效提高密封面的接触压力和接触长度,扩大螺纹锥度的取值范围,但会减少全顶螺纹数量,平切深度越大,全顶螺纹数量越少,设计平切深度值时应全面考虑,避免影响接头连接强度;设计退刀槽可增加密封面接触压力和长度,但需注意其结构设计,避免造成配合螺纹的划伤或粘扣。     

基于正交试验的气密特殊螺纹油管接头密封性能研究

开发深海油气需要钻探大量超深井、大位移井,井下油管需要承受水下复合载荷的综合作用,这对气密特殊螺纹油管接头的密封性能提出挑战。以?99.25 mm×6.45 mm气密油管特殊螺纹接头为研究对象,以密封面最大接触压力为考核指标,依据ISO 13679标准A系试验载荷包络线对正交优化试验结果进行密封性能分析。分析结果表明：密封面最大接触压力影响因素敏感性由大至小的顺序为：密封面角度>扭矩台肩角度>螺纹承载面角度>螺纹锥度>螺纹螺距;气密特殊螺纹油管接头参数最优组合为密封面角度10°、扭矩台肩角度-12°、螺纹承载面角度12°、螺纹锥度1∶18、螺纹螺距4.8 mm;优组后油管接头在ISO 13679标准A系试验载荷下各加载点密封性能良好。所得结果对气密特殊螺纹油管结构的进一步优化设计具有指导意义。     

螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响分析

用弹塑性有限元法建立了圆螺纹油管接头接触问题的有限元模型,利用ANSYS大型有限元分析软件,对不同油管螺纹参数偏差的油管接头机紧连接和承受拉伸载荷作用工况的应力应变进行了数值计算。计算结果分析表明,油管各螺纹参数偏差不改变油管发生强度破坏的螺纹牙齿位置;不同的螺纹参数偏差对油管螺纹的连接强度影响不同,螺距公差、牙型角上偏差及齿根高下偏差对油管螺纹连接强度的影响较大。给出了各螺纹参数偏差对油管螺纹连接强度影响程度的排序,为油管螺纹的质量检测和油管断裂失效分析提供了一定的理论依据。     

油管柱啮合螺纹密封面损伤的声波评判研究

特殊螺纹油管上扣后,螺纹密封面的完好与否将直接影响管柱的密封性能,而如何有效地检测评断管柱啮合螺纹密封面的损伤,在理论方法上仍存有困扰。文章利用声弹理论,提出通过密封面接触应力的相对变化评断密封面的损伤。同时,在油管密封面制造磨损缺口,上扣前后在接箍表面不同粗造度下对密封面进行声波检测,并与完好啮合密封面检测结果对比,发现利用声波幅度评价密封面的接触应力,易受接箍表面粗造度的影响,而采用密封面反射波的中心频率表征接触应力则有效避免这一问题,最后建立了密封面反射波中心频率计算方法。     

特殊螺纹接头主要参数对密封性能的影响分析

对于金属-金属密封结构的特殊螺纹接头,保证接头的密封可靠性非常重要。应用有限元方法分析了连接螺纹的锥度配合、中径及密封直径的过盈量对特殊接头密封性能的影响,结果表明,三者对接头密封面接触压力影响很大,其中内、外螺纹的锥度配合对密封面接触压力的数值影响最大,密封面直径过盈量影响次之;在内螺纹锥度较大时,螺纹中径过盈量对密封面接触压力的数值影响较大;不合适的螺纹参数匹配将导致密封面在拉伸载荷作用下失去密封能力。研究结果有助于优化特殊螺纹接头结构设计和加工控制,为现场检测判断接头的适用性提供技术依据。     

一体化管柱油管特殊螺纹气密封性能研究

气井压裂投产一体化管柱在各种工况中,载荷变化较大,使得管柱的密封性能受到很大影响。以3种常用特殊螺纹接头为研究对象,运用有限元方法对其密封性能进行了研究。结果表明:随着轴向拉伸载荷逐渐增大,球面-球面和锥面-球面密封结构接触应力下降较快,柱面-柱面密封结构接触应力基本不变;内压与轴向拉力复合作用时,随着内压的增大,球面-球面密封受内压影响最大,接触应力上升较快;外压作用降低了密封面接触应力,使接头密封性能降低;在密封面结构选择上,3种密封结构各有优势,应综合考虑接触应力和接触面积,选择不同工况下相对适合的特殊螺纹接头。研究结果可为气井压裂投产一体化管柱的现场应用提供参考。     

大直径套铣管连接处结构设计及强度分析

针对现有套铣管螺纹连接结构不能满足雄安新区油井工况需求的问题,设计了一种能够满足大直径大扭矩的套铣管专用螺纹(HSTX特殊螺纹)。该特殊螺纹牙型结构采用单台肩螺纹连接方式,其中螺纹采用每英寸3牙的粗牙设计,螺纹锥度为1∶12,螺纹承载面角为3°,导向面角为30°;通过平滑设计,使倒角与轴线成60°,减小了应力集中,大大增强了接头抗疲劳性能。建立了HSTX特殊螺纹有限元模型,详细地分析了拉伸、压缩、扭转以及极限工况下套铣管螺纹受力情况。研究结果表明:随拉伸载荷增加,HSTX特殊螺纹最大接触应力出现在第2扣承载面处,存在疲劳失效风险,在拉伸载荷达到9 000 kN时,套铣管连接处螺纹开始出现塑性贯通失效;当压缩载荷达到5 000 kN时,螺纹接头依然未失效,且该螺纹的最大抗扭强度为223.6kN·m。HSTX特殊螺纹接头连接强度和抗扭强度均可以满足雄安新区套铣作业要求。     

井下仪螺纹黏扣分析及预防

关于螺纹黏扣的预防措施的研究主要在螺纹参数优化、螺纹检测技术、螺纹脂、镀层、表处、操作规范及特殊螺纹等方面,虽然形成了一系列措施,但仍然无法完全解决问题。本文认为螺纹连接处的接触应力及密封面处的应力、形变均会对螺纹粘扣产生不可忽视的影响。并通过不同工况下的有限元计算,分析了可能导螺纹致粘扣的原因,给出了预防建议,并成功应用在产品上。     

特殊螺纹油管接头现场端接箍胀大原因分析

针对某西部油田商检时发现的特殊螺纹油管接头现场端接箍胀大问题,进行调查研究、有限元分析、上扣验证试验和密封验证试验。结果表明:特殊螺纹油管接头工厂端上扣后,现场端接箍的螺纹中径胀大很小,但密封面直径胀大较大; 接头的壁厚越厚、上扣转矩越大、拐点转矩越低和台肩宽度越窄,密封面直径胀大就越明显。研究还发现接箍过大的胀大量会导致接头密封失效。为防止接箍胀大而影响密封性能,建议生产厂严格控制拐点转矩、适当延长转矩台肩宽度,并将这两项指标列入检验标准; 同时,建议油田制订验收标准时限定接箍密封面直径胀大量,并据此调整验收标准的公差范围。     

Φ88.9 mm×6.45 mm P110S油管接头脱扣失效原因分析

Φ88.9 mm×6.45 mm P110S油管接头现场端发生脱扣事故,通过宏观形貌分析、材料性能试验、密封面和台肩面的微观形貌分析等方法,对失效接头脱扣事故原因进行了分析,并模拟还原了失效接头现场端内、外螺纹对应的上扣位置。结果表明,现场端内、外螺纹啮合长度少上了4扣左右,上扣时密封面和台肩面未发生有效过盈接触,证实现场端螺纹上扣未到位,这是造成失效接头发生脱扣及连接强度严重降低的主要原因。而造成油管接头现场端螺纹上扣不到位的原因可能与上扣时内螺纹受到泥浆污染、螺纹脱扣前存在轻微损伤、上扣钳牙夹持位置偏接箍上扣端等有关。     

非API标准BigOmega特殊螺纹接头连接性能数值分析

以德国非API标准的BigOmega特殊螺纹接头作为研究对象,应用有限元软件ANSYS建立计算力学模型,模拟套管柱接头行为,通过改变螺纹参数（高度、锥度等）,计算得出各扣牙相应的最大法向接触应力与最大接头Mises应力。分析螺纹参数变化对扣牙所受应力的影响规律,从而得到BigOmega接头螺纹参数的改变对套管接头连接性能的影响规律,进而为套管柱接头特殊螺纹扣型的选择提供依据,为套管柱设计提供更为有效的参考。     

海洋生产立管接头特殊螺纹有限元分析

为了适应海洋水下生产立管的苛刻工况,设计了一种顶端张紧式生产立管螺纹接头,并采用有限元接触分析模型对该接头进行了相关的力学分析。通过Abaqus有限元软件计算对比了接箍螺纹与管体强度,模拟立管的上扣过程,计算最佳上扣扭矩,研究了该模型在上扣扭矩、上扣和内压、上扣和拉伸、上扣和拉伸及内压四种载荷下的密封性能。有限元分析结果表明,密封面接触压力随内压的增加而增加,单轴拉伸载荷使得密封面的接触压力有所减小,拉伸载荷和内压共同作用时密封面上的接触压力呈增加趋势,但是增加的幅度要比仅受内压作用时小。该海洋生产立管特殊螺纹的强度优于管体,密封性能可靠,满足设计要求。     

特殊螺纹气密封性数值模拟

利用ANSYS软件,以BGT1螺纹和FOX螺纹为研究对象,对不同轴向拉载荷作用下特殊螺纹的Von Mises应力及接触应力进行数值模拟研究。结果表明:特殊螺纹公扣密封面及母扣管体大端Von Mises应力较高,容易发生塑性变形,在相同轴向拉载荷条件下,FOX螺纹较BGT1螺纹更易发生塑性变形;随着轴向拉载荷增加,BGT1螺纹和FOX螺纹的接触长度不变,密封面上接触应力逐渐减小,气密封性能降低;在相同工况条件下,FOX螺纹的气密封性能优于BGT1螺纹,且相对于BGT1螺纹,FOX螺纹气密封性能受轴向拉载荷影响较小。