钻铤螺纹失效及改善措施分析

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1、钻铤螺纹失效及改善措施分析【摘要】在油田开采屮，普遍采用API标准钻铤螺纹，它具有密封性高、承载能力强、上卸速度快等优点。但随着定向井、重腐蚀井、深井及超深井等开采的H渐增多，API钻铤螺纹的可靠性、密封性已难以满足油气井的开采需求，由钻铤螺纹失效而引起的事故时常发生。本文采用有限元软件（ANSYS）,建立起了螺纹连接的有限元分析模型，对其应力情况加以分析计算，并根据计算结果，提出了改善螺纹结构工作特性的结构优化方案。【关键词】钻铤螺纹有限元分析失效应力集中1刖§通过众多钻井事故的分析，不难发现由钻铤疲劳失效所引发的

2、事故占据了很人的比例。实践表明，钻铤螺纹失效的原因人多是由疲劳所致，疲劳失效又主要是山于钻铤交变荷载过大。在钻铤中，其与螺纹的连接部位较为脆弱，所以较容易在该部位产生较高的交变应力，发生严重的应力集中，故在该部位极易发生疲劳断裂。所以分散螺纹连接处的应力集中，是提高螺纹工作特性，降低钻铤失效率的关键所在。据钻铤失效的相关统计表明，螺纹断裂位置主要集中螺纹根部的第1〜3扣处，失效断口处较光滑，可判定为疲劳断裂。针对螺纹连接处容易失效这一情况，笔者根据井下钻铤的特点，使用ANSYS软件，针对钻铤螺纹连接处，建立起有限元分

3、析模型，対英应力进行计算、分析。计算结果表明，在钻铤螺纹的第一个螺纹处，应力最大，钻铤螺纹的第1、第2、第3个螺纹处是失效的主要部位，据此可判定这就是钻铤螺纹疲劳失效的关键原因。2有限元计算与分析有限元方法是对钻铤螺纹进行数值计算的最有效、最重要的一种方法。该方法的原理是：将一个复杂的对象划分为若干个简单的单元，将无限自由度转化为有限自由度，将连续场函数的微分方程转化为多个参数的代数方程组，通过对代数方程组的计算，來获得复杂对象的最终计算结果。2.1模型参数分析本研究采用API（NC50）标准钻铤螺纹。钻铤的内、外径

4、分别为72mm.203.2mm,螺纹牙型为V-0.05。钻铤材料的屈服强度为758MPa、钢级T110,泊松比为0.3,弹性模量为216GPa,锥度1：6。为了便于计算，对小导程角的影响忽略不计，按照轴对称对接头进行处理，同时仅对钻柱受到的轴向拉伸载荷作用加以考虑，仅考虑弹性范围内的结构变形，最终将钻柱分析转变为二维的弹性接触问题分析。2.2结果分析使用ANSYS软件计算后，可得出：公扌II应力主要集中在螺纹台肩面的第1、第2扣，母扣应力主要集屮在螺纹孔直径小端的第1、第2扣，公扣台肩过渡处的应力最大，也是断裂易发部

5、位。在相同工作状况下，B结构（API应力槽结构）的应力值比A结构（API普通结构）更低，在轴向压力F二1000kN时，应力降幅为12.83%03结构优化方案3.1应力分散槽的优化通过有限元模型的计算、分析，可得出B结构比A结构的应力更低，B结构优于A结构，但若要获得最优的结构，还需对B结构加以改进，进一步降低应力水平。将B结构的优化结构标记为C,优化目标是将B结构中的应力os达到最小。通过分析应力槽应力。S与应力杷j倒角半径R1和R2间的曲线关系，得岀Rl=8mm,R2=13mm时，。s的取值最小，螺纹应力分散结构能

6、将应力值降到最低，在相同工况下，螺纹连接处的应力达到最小。所以，螺纹应力分散槽结构的改进，不能一味增大结构过渡圆和来实现，这是因为过渡圆角变化与应力变化不呈线性相关，故应当找出过渡圆角的最优值。与A结构相比，C结构的应力降幅为21.6%；与B结构相比，C结构的应力降幅为10.11%。3.2强度分析在钻铤螺纹结构中，应力分散效果与应力分散槽的深度、长度呈正相关，即应力分散槽的长度、深度越大，应力分散效果就越好。然而为满足应力分散区的强度要求，不能将分散杷I设置得过长、过深，如若不然，就会造成截面的惯性矩太小，若钻压过大

7、，钻铤就容易发生弯曲，容易在切槽处发生断裂。通过计算，优化后的应力分散槽结构（C结构），其截面惯性矩是标准应力分散槽（B结构）的86.7%,惯性矩的降幅不大，圆介过渡处是应力分散槽应力峰值的发生处，但与螺纹区应力峰值相比，其应力水平远低于螺纹连接处的应力水平，这就说明螺纹连接处为钻铤的薄弱处。虽然应力分散槽比结构本体的应力峰值大，但其仍相对安全。4双台肩螺纹连接5结束语钻铤失效的相关统计数据显示，螺纹失效导致钻铤失效的主要因素，这是由于钻铤与螺纹根部的连接处存在较人的应力，在实际操作环境中，螺纹部位在钻铤结构的影响下

8、，其交变应力非常高，从而最终造成螺纹连接处失效。通过ANSYS软件对螺纹(NC-50)应力情况的计算、分析，发现螺纹的第1个螺纹处的应力最大，第1到第3个螺纹处是螺纹失效的主要部位，也是造成钻铤失效的主要部位。设置应力分散槽是分散螺纹结构应力的有效手段，在优化结构的应力分散槽时，需要在过渡圆角的众多取值中找岀最优值，来达到结构所受应力最小的目的