钻铤螺纹应力分析及结构优化

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1、第３５卷第２期石油钻探技术Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．２２００７年３月ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＤＲＩＬＬＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＭａｒ．，２００７工具与设备钻铤螺纹应力分析及结构优化胡大梁陈平朱礼平（西南石油大学“油气藏地质与开发工程”国家重点实验室，四川成都６１０５００）摘要：在钻井过程中，经常发生下部钻具组合断裂失效事故，其主要失效部位是在钻铤薄弱部位———螺纹连接处，由于螺纹类型复杂，过渡部位易发生应力集中，造成钻具疲劳断裂破坏。针对钻铤断裂事故，建立了常规钻铤螺纹连接部位３种螺纹类型的有限元模型，并采用线弹性有限元方法分析了不同模型在不

2、同钻压条件下的应力分布情况，同时对使用ＡＰＩ标准应力减轻槽的钻铤螺纹连接部位进行了结构优化设计。在设计中以螺纹连接处两个过渡圆角半径犚１、犚２为设计变量，分析了在一定条件下不同尺寸的犚１、犚２所对应的螺纹连接处应力分布情况。对比分析可知，在满足钻铤强度条件下，改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平，从理论上说明该方法是可行的。关键词：钻铤；螺纹连接；应力场；有限元法；结构设计中图分类号：ＴＥ９２１＋．２文献标识码：Ａ文章编号：１００１０８９０（２００７）０２００５２０３在钻井过程中，钻柱承受拉伸、弯曲、扭转、的。笔

3、者利用有限元软件，建立了钻铤螺纹连接处内压、外压等多种载荷，工作条件恶劣，因而易出的有限元模型，分析了ＡＰＩ标准螺纹和ＡＰＩ标准现钻具失效事故［１３］。统计表明，四川川东地区应力减轻槽结构螺纹的受力情况，并对应力减轻槽１９９６和１９９７年发生的３０３起钻具失效事故中，钻进行了结构优化，以确定在给定工况下，应力最小铤失效达１３７次，占４５．２％；在失效类型中，螺的结构。纹连接失效达２２２次，占７３．３％［４］。钻铤螺纹连接处与钻铤本体相比，刚度较小，截面形状复杂，２有限元计算及结构优化易出现应力集中，是钻铤的薄弱部位。因此，研究在建立有

4、限元模型时作以下假设：钻铤螺纹的应力分布规律，降低应力集中程度，对１）整个螺纹接头按轴对称处理，忽略小螺纹提高钻铤使用寿命，减少钻具失效事故，降低经济升角的影响；损失，具有重要意义。２）分析中仅考虑模型受轴向力的作用，变形在线弹性范围内。１螺纹本身特性及结构优化原理２１基本参数钻铤螺纹连接处的刚度小于钻铤本体，是钻铤笔者针对ＡＰＩＮＣ５０（４１／２ＩＦ）螺纹进行分最薄弱的部位；另一方面，钻铤螺纹根部圆角半径析，其基本参数为：螺纹牙型Ｖ０．０３８Ｒ；锥度较小，容易造成应力集中，使抗弯强度降低。钻铤１∶６；钻铤外径犇＝１７７．８ｍｍ，内

5、径犱＝５７．２螺纹受力主要集中在台阶内侧第１～２扣处，其中ｍｍ；弹性模量犈＝２０６ＧＰａ；泊松比μ＝０．３。第１扣所受力约占３４％，第２扣受力约占２２％，２２建立有限元模型并划分网格往后依次降低［５７］。另外，钻铤螺纹１、２扣处与钻根据上述参数，建立有限元模型，在保证计算铤本体相比，截面形状发生突变。因此，钻铤公扣精度的前提下，尽量减少单元数目。先对模型进行应力集中区在台肩面的第１～２扣处，钻铤母扣应粗略的网格划分，然后对较重要部位———螺纹进行力集中区在螺纹镗孔直径小端的第１～２扣处。根据相关力学知识，工件在受外力作用时，应力集中

6、在工件表面形状突变的部位，如尖角、台阶收稿日期：２００６０６１９；改回日期：２００６１２０４等。因此，为尽量避免这种情况的发生，在螺栓连作者简介：胡大梁（１９８２－），男，２００４年毕业于西南石接中，螺纹收尾处改为退刀槽，在ＡＰＩ标准钻铤油学院机械设计制造专业，在读硕士研究生。螺纹上加工ＡＰＩ应力减轻槽［７９］，都是基于这种目联系电话：１３８８０７５２００２第３５卷第２期胡大梁等：钻铤螺纹应力分析及结构优化·５３·网格细分，这样既能精确描述有限元模型中的细小关键部分，又能减少计算时间。２３施加边界条件并求解采用线弹性接触有限

7、元方法分析钻铤螺纹应力及应变情况，并用非线性方法求解。可能的接触区域包括螺纹牙接触面及公母接头台阶面［１０］，在远离螺纹连接的母接头本体处沿钻铤轴向施加零位移约束，公接头本体处施加轴向压力。图２犚２取值与应力的关系２４结果分析首先对ＡＰＩ标准螺纹（以下简称结构１）和ＡＰＩ标准应力减轻槽结构的螺纹（以下简称结构２）进行应力分析，得到两种结构在不同钻压下的应力，见表１。表１不同钻压下螺纹的应力最大应力／ＭＰａ钻压／ｋＮ图３犚１取值与应力的关系结构１结构２（以下简称结构３）为最优值，此种应力减轻槽可２００１４２．３５８９２．０６４３００２１

8、３．５３７１３８．０９６有效降低应力峰值，在相同钻压下，钻铤螺纹连接４００２８４．７１６１８４．１２９处应力峰值最小。可见，在改进钻铤螺纹应力减轻从表１可看出，在相同钻压作用下，结构２有槽结构时，不能单纯增