双台肩螺纹接头参数与应力应变关系研究

张 林,罗 增,林元华,卢 强,周 平

(1.西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室,成都610500;2.塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000)

双台肩螺纹接头参数与应力应变关系研究

张 林1,罗 增1,林元华1,卢 强2,周 平2

(1.西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室,成都610500;2.塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000)

研究的目的是分析双台肩螺纹接头尺寸参数变化引起的应力、应变分布变化情况。建立了标准螺纹及螺纹参数变化情况下应力、应变与外载荷的关系。确定了双台肩螺纹接头尺寸参数变化对螺纹最大应力或应变影响程度的队列,得到了双台肩螺纹接头部分尺寸的公差范围。

双台肩;螺纹参数;有限元

在塔里木油田的超深井小井眼钻井过程中,小尺寸钻具抗扭强度不足成为制约其安全、快速钻进的一个瓶颈问题,而受井身结构制约,钻杆接头和钻铤外径都受到限制,因此需要选择一种新的螺纹结构来解决超深井小井眼钻井钻具抗扭强度不足等问题。双台肩钻具接头具有主台肩和次台肩,钻井过程中由主台肩和次台肩共同承担扭矩,其抗扭强度比传统API螺纹结构高30%～40%[1-4]。本文建立了双台肩钻具接头的有限元模型,分析了双台肩钻具螺纹参数变化与应力、应变之间的关系,确定出双台肩钻铤接头部分尺寸的公差范围。

1 双台肩接头有限元建模

1.1 双台肩接头参数

双台肩接头主要结构尺寸如图1。

图1 双台肩接头主要结构尺寸

1.2 材料模型

钻铤螺纹接头的材料为42CrMo,其弹性模量206 GPa,泊松比013,屈服应力930 MPa,屈服应变0.004 514 56,抗拉强度1 080 MPa,线性硬化系数1 300,台肩及螺纹处摩擦因数取0.15。材料非线性力学特性采用多线性等向强度化模型,如图2。屈服准则为Von miss屈服准则。

图2 多线性材料模型

1.3 有限元模型及网格

建立有限元计算模型时,公、母接头长度均取159.46 mm,在主、次台肩均接触。考虑到螺纹连接可以近似处理为轴对称结构,分析时采用轴对称模型,网格采用平面四边形单元,螺纹牙及台肩处设置接触单元。双台肩钻铤单元采用自由划分,划分设置为四边形单元,质量警告时分裂为三角形单元(split on warning),其他设置为程序选择(program chosen)。接触单元由软件中的接触单元向导创建,采用面对面接触,分别在螺纹牙面和主、次台肩生成3对接触对[5]。接头螺纹有限元网格如图3。

图3 接头螺纹有限元网格

2 双台肩接头有限元分析

2.1 载荷工况

在分析接头螺纹参数变化引起的应力、应变关系时,保持母接头螺纹参数不变,分析变量为公接头各螺纹参数。调整公接头螺纹参数公差范围,选取不同公差值进行分析,确定最佳的公接头公差,有限元计算载荷工况如表1。

表1 计算载荷工况

2.2 有限元分析结果

2.2.1 螺距极限偏差

当公接头螺纹螺距改变时,不同螺距公接头螺纹在拉力、内外压等工作载荷下的应力、应变随螺距偏差变化曲线如图4～5。当螺距减小时,由于螺距累积误差使公接头螺纹最后几牙的上工作面产生较大过盈量,因此接触应力增大,其应变变化缓慢;当螺距增大时,由于累积误差使公接头螺纹最后几牙的下工作面产生较大过盈量,施加拉力载荷后,过盈量有所减小,接触区域集中在前端的工作牙随着螺距增大,接触应力增大,应变迅速增大。当螺距偏差增大时,螺纹过盈量增大,所需预紧力也将增大。综合考虑螺距偏差对应力、应变的影响,以接触应力为1 200 MPa为判定依据,采用插值计算,建议螺距上偏差<0.01 mm,下偏差>-0.01 mm。

图4 不同螺距的公接头螺纹等效应变

图5 不同螺距的公接头螺纹应力

2.2.2 锥度极限偏差

当公接头螺纹锥度改变时,不同锥度的接头螺纹在拉力、内外压工作载荷下的应力、应变随锥度偏差变化曲线如图6～7。当锥度减小时,公接头螺纹最后几牙与母接头螺纹出现双边接触,施加拉力和内外压载荷后,由于公接头尾部与母接头存在过盈,螺纹接触应力增大,随着锥度进一步减小,螺纹工作牙接触区域逐渐移向公接头螺纹牙顶,致使接触应力增大较快,同时双边接触的螺纹工作牙数增加,公接头尾部与母接头的过盈量继续增大,其等效应变迅速增大,应力集中也较严重;当锥度增大时,公接头螺纹工作牙与母接头螺纹工作牙接触面积减小,公接头螺纹尾部的工作牙与母接头逐渐分离,施加拉力和内外压载荷后,受载螺纹主要集中在公接头螺纹前几牙;随着锥度进一步增大,与母接头螺纹分离的工作牙数增加,受载螺纹更加集中,接触应力和应变也相应增大,但变化比较缓慢,应力变化不太大。综合考虑锥度偏差对应力、应变的影响,建议螺纹锥度上偏差<0.005,下偏差>0。

图6 不同锥度的公接头螺纹等效应变

图7 不同锥度的公接头螺纹应力

2.2.3 牙型角极限偏差

当螺纹牙型角改变时,不同牙型角接头螺纹在拉力、内外压工作载荷下的应力、应变随牙型角偏差变化曲线如图8～9。当牙型角减小或增大时,接触面倾斜,螺纹牙接触区域分别移向公接头螺纹牙根部位和母接头螺纹牙顶部位,接触面积减小,接触应力增大。综合考虑牙型角偏差对应力、应变的影响,以接触应力1 500 MPa为判定依据,采用插值计算,建议螺纹牙型角上偏差<0.75°,下偏差>-0.65°。

图8 不同牙型角的公接头螺纹等效应变

图9 不同牙型角的公接头螺纹应力

3 结语

建立了双台肩钻具接头的有限元模型,分析了螺距、锥度、牙型角3种参数在不同公差下螺纹根部应力集中的影响规律及影响程度,为双台肩钻具接头螺纹的设计和研制提供了参考依据。

[1] 胡芳婷,卢 强,张 琦,等.双台肩技术在小尺寸钻铤上的应用研究[J].石油矿场机械,2008,37(5):14-21.

[2] 贾永红,王云梁,杨锦荣.双台肩螺纹结构在∅17718 mm钻铤上的应用[J].石油矿场机械,2008,37(12):93-94.

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[4] 张 毅,王治国,刘甫清.钻杆接头双台肩抗扭应力分析[J].钢管,2003,32(5):7-10.

[5] 陈如欣,胡忠民.塑性有限元及其在金属成形中的应用[M].重庆:重庆大学出版社,1991.

Research on Double Shoulder Tool Joint Parameter and Stress-strain Relations

ZHANG Lin1,LUO Zeng1,LIN Yuan-hua1,LU Qiang2,ZHOU Ping2
(1.Key L aboratory f or Tubular Goods,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China; 2.Tarim Oilf ield Company,Korla841000,China)

The main purpose of this study is to analyze the stress and strain distribution changes caused by the double shoulder tool joint parameter change,the relationship between the standard thread parameters changing under stress,strain and external load established.Ascertaining the double shoulder tool joint thread size parameter change on the maximum stress or strain affect the level of the queue,thus part of the dimensional tolerance range of the double shoulder joint was obtained.

the double shoulder tool joint;thread parameters;finite element analysis

1001-3482(2010)04-0021-03

TE921.2

A

2009-11-06

“新世纪优秀人才支持计划”和四川省杰出青年学科带头人培养基金资助(06ZQ026-028)

张 林(1983-),男,四川南充人,硕士研究生,主要从事油井管、油气钻井工艺方面的研究,E-mail:swpu_zl@ 163.com。