衡钢HSM-2-HC 特殊螺纹接头有限元分析

李建亮， 胡志立， 李小兵， 吴 丹， 张垂贵，李 健， 冉雪辉， 付 强， 胡新太

（衡阳华菱钢管有限公司， 湖南 衡阳421000）

随着油气资源的枯竭， 以及恶劣井况越来越多， 如超深井、 高温高压井、 热采井等， 螺纹接头作为管柱中最薄弱的环节， 普通的API 标准接头已难以满足这些工况要求[1-3]， 这对螺纹接头的性能提出了更高要求。 特殊螺纹接头因其优化的螺纹及密封结构， 拥有优异的密封性能和连接强度， 在行业内得到了广泛关注[4-7]。 据报道国内外已经开发应用了100 多种特殊螺纹接头[8-9]， 特殊螺纹接头因其优良的性能以及高附加值， 受到越来越多油田用户和油套管生产厂家的重视， 油套管厂家纷纷大力推进特殊螺纹接头研发。 最近十年特殊螺纹接头得到了飞速发展，如国内宝钢、 天钢、 衡钢等特殊扣厂家均成功研发了第三代特殊扣， 其具有优异的密封性能， 且在拉伸、 压缩、 内压、 外压等性能上均达到管体的100%， 可以通过最新版API 5C5：2017/ISO 13679： 2019 四级应用等级评价。 随着高性能计算机及分析软件技术的进步， 有限元方法作为一种经济且高效的分析手段， 在油套管接头领域得到了广泛应用[10-14]。 本研究以Φ244.48 mm×11.99 mm 规格140V HSM-2-HC特殊螺纹接头为例， 采用有限元软件对接头密封性能进行了分析。

1 模型建立

Φ244.48 mm×11.99 mm 规格V140 HSM-2-HC 特殊套管螺纹接头结构如图1 所示， 其结构特点如下： 采用优化的勾形螺纹， 减少导向面间隙， 提高接头的防脱扣性能、 抗弯性能、 抗扭性能和抗压缩性能； 较大导向面正角， 方便快速对扣， 不易错扣； 采用缩口工艺增加台肩厚度， 提高接头的密封性能和抗压缩性能； 优化的锥面金属对金属密封结构， 进一步提高气密封性能； 逆向扭矩台肩设计， 勾形螺纹和逆向台肩产生的楔形效应， 提高密封稳定性； 内平齐设计， 降低紊流产生， 防止流体冲刷腐蚀。

图1 HSM-2-HC 特殊螺纹接头示意图

利用ABAQUS 有限元软件， 对Φ244.48 mm×11.99 mm 规格V140 HSM-2-HC 特殊套管螺纹接头进行建模。 根据接头的结构和受力特点， 由于接头螺旋升角很小， 将其按轴对称问题处理，且将接头的接箍中面处理为对称面， 该截面内各点只有径向位移自由度； 为消除管端效应， 建模时定义管体长度约为螺纹长度的3 倍； 接头的材料视为均匀的各向同性。 接头的有限元模型网格划分如图2 所示， 为提高分析精度， 需对接触部位进行细化， 其中螺纹部位网格细化为0.1 mm，密封面及台肩部位网格细化为0.05 mm， 采用CAX4 四节点四边形单元， 接触模式为面对面接触。 材料屈服强度为1 006 MPa， 抗拉强度为1 112 MPa， 伸长率为29%。

图2 HSM-2-HC 特殊螺纹接头的有限元模型网格划分

2 分析与讨论

有限元分析的目的是为了得到螺纹接头的上扣扭矩曲线， 并计算分析不同螺纹参数配合下的扭矩与设计扭矩值的关系是否合理， 以及计算分析螺纹接头在不同载荷工况下， 螺纹接头的应力应变分布状态以及密封面的接触压力分布， 以验证螺纹接头的螺纹部位、 密封部位以及台肩部位结构参数设计是否合理。

2.1 上扣分析

上扣是油套管使用的第一步， 尤其对耐腐蚀油套管来说， 需要使接头拧紧后的应力集中程度小， 更需要接头应力分布合理。 合理选择螺纹过盈量、 密封过盈量， 以及使螺纹过盈量与密封面过盈量合理匹配， 是实现应力合理分布的关键。上扣扭矩是特殊螺纹接头很重要的一项参数， 上扣扭矩过大会使扭矩台肩或密封面塑性变形过量， 导致连接强度失效或密封失效； 上扣扭矩过小将导致密封面的接触应力不足， 从而造成密封失效。 上扣扭矩特性分析是特殊螺纹接头产品开发中的重要一环， 扭矩曲线可以反映出接头结构是否合理。

HSM-2-HC 特殊螺纹接头在最佳设计上扣扭矩 （35 000 N·m） 下的上扣应力分布云图如图3 所示。 从应力分布云图可以看出， 接头上扣后， 台肩由于分担了较多的上扣扭矩， 应力水平较高， 密封面由于过盈配合， 局部接触面的应力超过材料屈服值， 但鼻端整体应力水平远低于材料屈服值。 接头整个应力分布与设计构想一致，说明螺纹和密封的过盈量选择是较合适的。

图3 接头上扣后的应力分布

利用ABAQUS 软件对螺纹接头接触部位进行接触计算和数据处理， 扭矩T 可以由公式（1） 得出， 即

式中： r——接触点半径， mm；

p——接触压力， N；

μ——接触摩擦因数；

L——接触长度， mm；

θ——接触周向角度， （°）。

Φ244.48 mm×11.99 mm 规格V140 HSM-2-HC特殊套管螺纹接头上扣扭矩随台肩过盈量变化曲线如图4 所示， 显示台肩扭矩为10 400 N·m，屈服扭矩为115 000 N·m （屈服扭矩对应扭矩曲线图中非线性拐点）。 设计的最佳上扣扭矩为35 000 N·m， 最小上扣扭矩为31 500 N·m， 最大上扣扭矩为38 500 N·m。 最佳扭矩是设计扭矩值， 最大扭矩和最小扭矩分别偏离最佳扭矩的±10%。 最小扭矩、 最佳扭矩、 最大扭矩为厂家的规定产品使用扭矩范围， 在这一扭矩范围内可保证接头的结构完整性和密封完整性， 如果扭矩过小表现为欠扭， 会导致接头出现泄漏； 扭矩过大表现为过扭， 在接头受到压缩载荷作用下会导致接头屈服。

图4 扭矩随台肩相对过盈量变化曲线

基于螺纹参数公差的配合以及上扣扭矩的大小， 本研究规定了台肩扭矩为最佳上扣扭矩的10%～60%。 可以利用有限元分析计算和实物上扣试验来验证这一规定台肩扭矩范围的合理性。 显然， 当螺纹过盈最小+密封过盈最小时 （即ISO 13679： 2002 标准中2#试样）， 此时的台肩扭矩达到最小。 经过有限元计算得到此时的台肩扭矩为7 910 N·m， 与最佳上扣扭矩 （35 000 N·m）比值为22.6%， 实际2#试样实物上扣试验得到的台肩扭矩为8 312 N·m， 有限元计算结果与实物上扣试验结果基本吻合， 结合实际接头椭圆度、表面粗糙度以及现场螺纹脂涂抹量等因素， 规定最小台肩扭矩为10%的最佳上扣扭矩。 同样， 当螺纹过盈最大+密封过盈最大时 （即ISO 13679：2002 标准中3#试样）， 此时的台肩扭矩达到最大。 经过有限元计算得到此时的台肩扭矩为12 400 N·m， 与最佳上扣扭矩（35 000 N·m） 比值为35.4%， 实际3#试样实物上扣试验得到的台肩扭矩为13 681 N·m， 有限元计算结果与实物上扣试验结果基本吻合， 结合实际接头椭圆度、表面粗糙度以及现场螺纹脂涂抹量等因素， 规定最大台肩扭矩为60%的最佳上扣扭矩。

2.2 密封性能分析

根据ISO 13679： 2002 标准中1#试样的加工公差和上扣扭矩要求， 使得螺纹满足过盈量高+密封过盈量低+最小上扣扭矩， 这使接头密封部位吸收扭矩达到最低， 旨在检验接头的密封 性 能。 按 照ISO 13679： 2002 CAL ⅣA 系复合加载 （如图5 所示） 进行有限元分析， 分析其在不同工况下的密封性能。 加载点数值见表1。

图5 ISO 13679： 2002 CAL ⅣA 系复合载荷包络线

表1 ISO 13679： 2002 CAL ⅣA 系复合加载点

由于密封效果是由密封接触长度和密封接触压力的大小综合决定的， 为了定量表征接头的密封性能， 本研究采用基于热采井评价密封准则来表征接头的密封性能。 针对苛刻的热采井，Murtagian 和Xie[15-18]均提出幂指数积分密封指数，定义为密封面上接触应力的n 次方对接触长度的积分， 即

式中： σ——接触应力， MPa；

L——接触长度， mm；

n——采用螺纹脂时取1.2， 无螺纹脂取1.4。

基于大量的试验和有限元分析， Xie 基于热采井提出密封临界值Wac按以下公式计算：

式中： pgas——管柱内气压， MPa；patm——大气压力， MPa。

即保证接头密封性能需满足Wa≥Wac。

螺纹接头在上扣及复合加载点下的密封接触压力随接触长度的变化如图6 所示。 密封接触压力曲线可为用户提供接头的密封性能信息， 具有重要的参考价值。 从密封接触压力曲线可以看出在不同复合加载点下的密封接触压力随接触长度的变化规律， 密封接触压力和密封接触长度是保证接头密封性能的关键。 从图6 可以看出， 在p1、 p2、 p12、 p13、 p14 等载荷点密封接触长度较短， 是潜在危险点， 同时也可以看出整个复合加载点下接头保持了良好的接触状态。

图6 接头在上扣及复合加载点下密封接触应力随接触长度变化曲线

接头在复合加载点下的指数积分及密封指数变化曲线如图7 所示。 图7 中显示p2、 p13、 p14复合加载点密封指数值最接近临界密封指数值，为危险点， 接头的密封性能最差， 这是由于拉伸载荷使得接头有相互分离趋势， 使得密封接触状态变差； 外压载荷穿透螺纹直达密封部位， 从而使得管体端部产生收缩趋势， 密封状态变差。 同时也可以看出所有载荷点均保证了密封指数积分值大于密封临界值。 因此基于以上密封准则， 接头在规定的复合载荷作用下能保证其密封的完整性。

图7 接头在上扣及复合加载点下指数积分及密封指数曲线

全尺寸实物试验是验证接头性能的重要环节， 也是接头性能的评判标准。 Φ244.48 mm×11.99 mm 规格V140 HSM-2-HC 特殊螺纹接头在第三方机构通过实物试验验证， 达到了ISO 13679： 2002 CAL Ⅳ应用等级评价标准， 接头的拉伸效率、 压缩效率、 内压效率、 外压效率均达到管体的100%。 表2 为实物试验中1#～8#试样的极限载荷试验结果， 极限载荷试验路径如图8所示。 该接头成功应用于塔里木油田某地质条件苛刻区块， 取得了良好的应用效果。

表2 极限载荷试验结果

图8 极限载荷试验路径

3 结 论

（1） Φ244.48 mm×11.99 mm 规格140V HSM-2-HC 特殊螺纹接头上扣后， 台肩应力水平较高，密封面局部接触面的应力超过材料屈服值， 但鼻端整体应力水平远低于材料屈服值。 接头的整体应力水平分布较合理。

（2） 有限元分析显示， 在复合加载下，Φ244.48 mm×11.99 mm 规格140V HSM-2-HC特殊螺纹接头密封面均保持良好接触状态， 密封指数值大于理论临界值， 表明其具有良好的密封性能。

（3） 全尺寸复合加载实物试验以及极限试验结果验证了该接头满足ISO 13679： 2002 CALⅣ应用等级评价标准， 其拉伸效率、 压缩效率、内压效率、 外压效率均达到管体100%。