螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响分析

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1、石油机械2007年第35卷第1期CHINAPETROLEUMMACHINERY—13—设计计算3螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响分析1123窦益华许爱荣张国政刘士军(11西安石油大学21CNPC西安管材研究所31大庆油田有限责任公司第二采油厂)摘要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

2、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。关键词油管圆形螺纹参数公差连接强度有限元受该项目委托,笔者针对大庆油田广泛使用的引言API圆螺纹油管,利用大型的ANSYS有限元软件7包,以«7310mm×515mm(2英寸)J55R108随着油井开采深度增加,油管的工作条件日趋不加厚API圆螺纹油管为例,定量地分析了5种螺恶劣,油管泄漏、滑脱掉井和断裂等事故时有发纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响,为油管的生,严重影响油井的正常生产。造成油管失效的主失效原因分析和旧油管

3、判废提供理论指导。要原因是油管本身的质量问题,螺纹参数是最重要的影响因素之一,油管失效事故约有64%发生在有限元模型[1]螺纹连接部位,并且近年来油管断裂现象日趋增多。因此,研究螺纹参数公差对油管螺纹连接强油管螺纹连接强度的数值计算属材料和接触非度的影响,对于避免油管失效事故,保证油井的顺线性问题,笔者采用非线性接触弹塑性有限元法,利开采,提高经济效益十分重要。目前,有关这一对«7310mm×515mm(27英寸)J55R10不加8课题研究的文献较少,文献[2]主要对圆螺纹螺厚API圆螺纹油管在机紧连接和拉伸载荷作用下,距、锥度、中径、接箍不圆度与螺纹连接性能和上螺距、中径

4、、锥度、齿高和牙型角5种螺纹参数偏扣扭矩2圈数的相关性进行了实验研究;文献[1]差对油管螺纹连接强度的影响进行了计算。有限元对螺纹参数与螺纹抗粘扣性能进行了定性分析;文建模时,忽略油管螺纹升角影响(升角小于2°),献[3]仅讨论了锥度偏差对油管接头应力分布的并根据载荷特点,取接箍长度为标准长度的一半,影响。[4]模型做轴对称处理。油管接头的有限元离散网CNPC西安管材研究所与大庆油田有限责任公格划分采用轴对称平面四边形单元,螺纹牙的啮合司第二采油厂合作项目“抽油机井油管判废技术采用对称接触,接箍的中间平面施加轴向位移约束研究”课题,从分析螺纹参数公差对油管螺纹连以消除刚性位

5、移、径向和环向自由,油管与接箍的接强度的影响入手,研究油管的断裂失效原因,进机紧连接以产生的过盈量加载。图1为«7310mm油管接头有限元模型的示意图,螺纹牙的网格划分而制定旧油管的螺纹参数检测标准和研发相关检测局部放大图见图2。仪器。3研究课题为CNPC西安管材研究所与大庆油田有限责任公司第二采油厂合作项目“抽油机井油管判废技术研究”。—14—石油机械2007年第35卷第1期的油管螺纹牙齿根的应力、应变曲线和油管的应变等值线图。图5中a、b、c分别为0、116163、209194kN的载荷工况,应变为ε。油管的最大应变εmax与螺纹参数公差和载荷工况的关系见图6。7表1«

6、7310mm(2英寸)油管应变值计算结果8图1油管接头有限元模型1—油管;2—接箍油管螺纹参数模型载荷/第1啮合齿齿油管最大kN根应变ε应变εmax0010045010048螺距、锥度、牙型角、116163010073010075齿高、中径取最佳值2091940101120101260010055010180最大值116163010090010267图2螺纹牙网格划分局部放大图209194010139010351螺距材料的物理模型采用理想弹塑性模型,API规0010030010498最小值116163010051010160范中J55材料的屈服极限为372～550MPa,另

7、根据209194010082010109文献[5]油管材料性能的实验结果屈服极限为0010031010049最大值116163010041010055430～470MPa,综合考虑,取材料的屈服强度为齿高A(改209194010055010073450MPa、弹性模量200GPa、泊松比013,材料的变齿顶高)0010045010045最小值116163010080010080非线性力学特性选用双线性等向强化模型,油管螺209194010135010135纹副摩擦因数取0115[6]。0010048010057最大