2. 西安石油大学机械工程学院;
3. 中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院
2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Shiyou University;
3. Engineering Technology Research Institute of PetroChina Tarim Oilfield Company
0 引言
特殊螺纹油管接头多用于高温高压气井中。与API螺纹接头不同，特殊螺纹油管接头的螺纹主要起连接作用，而其密封主要靠主密封面的过盈配合，扭矩台肩在防止过扭的同时起辅助密封作用。为了更好地设计和使用特殊螺纹油管接头，人们对特殊螺纹油管接头的力学性能进行了积极的探索研究。文献[1]考虑径向载荷的影响，改进设计了超高压井特殊螺纹。文献[2]基于螺纹接头力学性能分析，革新设计了具有超强性能的特殊螺纹。由于问题的复杂性，目前无论是针对钻杆螺纹的力学分析[3]，还是针对套管螺纹的力学分析[4]，大多采用有限元方法。因此，对特殊螺纹油管接头的力学分析也多采用有限元方法[5-7]。
对于下入油井中的油套管接头，除了内外压力和轴向力等载荷会影响其使用性能外，温度也会影响其使用性能[8-9]。由于二维有限元模型难以考虑螺旋升角和反扭矩的影响，不能精确模拟接头上扣扭矩[10]，所以笔者采用Abaqus有限元分析软件，建立特殊螺纹油管接头三维有限元模型，使接头有效上扣，分析轴向力、内压和温度共同作用下特殊螺纹油管接头密封面、扭矩台肩及螺纹段Mises应力和接触压力的分布规律，以了解不同温度下依靠主密封面密封的特殊螺纹油管接头的力学行为，从而为高温高压气井特殊螺纹油管接头的设计和使用提供依据。
1 热应力分析在高温高压气井中，特殊螺纹油管接头与管柱一起在井下承受轴向载荷、内压、外压和较高的温度作用。若油管内的温度由初始温度T1变为T2，即发生温度变化T=T2-T1，油管就会产生热膨胀或热收缩变形。若热变形不受约束，则不产生热应力，油管内长度为ds的微元长度变为ds′[11]：
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(1) |
式中：αt为油管材料线膨胀系数，1/℃。
油管为各向同性材料，在不受约束情况下的热应变为：
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(2) |
式中：εx、εy、εz分别为X、Y、Z方向的主应变；γxy、γyz、γzx分别为XY、YZ、ZX面的剪应变。
如果油管的热变形受到约束，就会产生热应力。根据线性热弹性原理，其应变由2部分组成：一部分由温度变化变化引起，另一部分由应力引起。根据胡克定律，受温度作用的油管应力和变形的关系为：
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(3) |
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(4) |
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(5) |
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(6) |
式中：E为油管材料弹性模量，MPa；μ为油管材料泊松比；G为油管材料剪切模量，MPa；σx、σy、σz分别为X、Y、Z方向的主应力，MPa；τxy、τyz、τzx分别为XY、YZ、ZX面的切应力，MPa。
当螺纹牙、密封面及扭矩台肩面之间相互接触时，利用Mises屈服准则判定，则有：
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(7) |
式中：σs为油管材料的屈服强度，MPa。
2 三维有限元模型的建立油管管体与接箍的连接通过螺纹之间的相互啮合实现，特殊螺纹外扣与内扣之间的接触面是一个复杂的空间螺旋曲面，其受力分析涉及材料非线性、几何非线性和接触非线性，很难采用解析法求解。因此，采用SolidWorks软件建立特殊螺纹油管接头三维有限元模型，采用Abaqus分析软件进行考虑温度影响的特殊螺纹油管接头力学行为分析。Abaqus有限元软件提供了3种热应力分析过程：顺序耦合热应力分析、完全耦合热应力分析和绝热分析[12]。笔者采用最常用的顺序耦合热应力分析方法。用该方法分析热应力时，首先要执行2个不同温度分析步来建立预定温度场，然后由温度场通过热膨胀和与温度相关的机械属性影响应力和应变场。
如图 1所示，以ø88.9 mm(3½ in)×6.45 mm P110 A型特殊螺纹油管接头为例进行研究，采用SolidWorks软件对该接头建立三维模型。该特殊螺纹为偏梯形螺纹，承载面角3°，导向面角10°，螺纹锥度1:16，每英寸5牙。P110钢级管材的屈服强度758 MPa，极限强度928 MPa，弹性模量206 GPa，泊松比0.3、线膨胀系数1.2×10-5 1/℃。
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| 图 1 特殊螺纹油管接头三维模型 Fig.1 Three-dimensional model of premium connection tubing joint |
如图 2所示，为保证计算精度，同时兼顾计算效率，在用Mesh功能模块划分网格时，对模型进行分块划分，在螺纹段、密封面及扭矩台肩处进行网格精细划分，而远离螺纹段和管体部分的网格划分相对较疏。根据文献[10]，采用C3D8R单元有效模拟螺纹接头上扣，对该模型采用Abaqus/Standard求解器进行求解。
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| 图 2 特殊螺纹油管接头三维模型有限元网格划分 Fig.2 Finite element meshing of 3D model of premium connection tubing joint |
根据油管接头的整体对称性，在接箍中截面施加固支边界条件，在管体左端面圆心位置定义RP-1基准点，并将基准点与油管管体左端面耦合。如图 3所示，通过耦合点RP-1使接头正确上扣并对其施加轴向拉力、内压、外压和温度载荷。
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| 图 3 三维有限元模型边界条件及载荷示意图 Fig.3 Schematic diagram of three-dimensional finite element model boundary conditions and loads |
3 不同温度下油管接头螺纹段应力分析
上扣后，特殊螺纹油管接头密封面、扭矩台肩及螺纹段产生过盈配合。对螺纹接头三维有限元模型施加轴向拉力(500 kN)、内压(60 MPa，如图 4所示)和温度(25~300 ℃)，对接头进行三维力学行为分析，结果如图 5所示。
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| 图 4 油管接头载荷加载路径示意图 Fig.4 Schematic diagram of the load path of the tubing joint |
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| 图 5 不同温度下沿锥度方向螺纹牙Mises应力和接触压力曲线 Fig.5 Mises stress and contact pressure curve of thread tooth along taper direction at different temperatures |
从图 5a可见：随着温度升高，各螺纹牙Mises应力逐渐增大，增大幅度较小；温度由25 ℃升高到300 ℃，接头螺纹段Mises应力由188.6 MPa增加到501.9 MPa，均小于材料屈服强度，未产生塑性变形。
从图 5b可见：螺纹段最大接触压力位于距油管管体端部与接箍啮合的第1扣螺纹牙处，300 ℃时第1扣螺纹牙处接触压力793.0 MPa；螺纹段最小接触压力位于第11扣螺纹牙处，25 ℃时第11扣螺纹牙处接触压力为152.6 MPa，螺纹段扣牙接触良好。随温度升高，螺纹牙接触压力增加幅度较小，这是由于特殊螺纹油管接头螺纹段主要起连接作用，螺纹牙之间的过盈量相对较小，温度变化对螺纹段接触压力影响也较小。
4 不同温度下油管接头密封面及扭矩台肩力学行为分析密封面及扭矩台肩的环向Mises应力与环向接触压力对特殊螺纹油管接头密封性能的影响最大。按照图 4所示加载策略，对接头密封面及扭矩台肩环向Mises应力和环向接触压力进行分析。Mises应力用于判定接头密封面及扭矩台肩连接强度，接触压力用于判定接头连接状态及密封性能。
4.1 密封面及扭矩台肩环向路径Mises应力分析在500 kN轴向拉力、60 MPa内压及25、50、100、150、200和300 ℃温度下的油管接头Mises应力云图如图 6所示。由图可以看出：不同温度下油管接头最大Mises应力均出现在接头密封面及扭矩台肩处，密封面及扭矩台肩环向路径有应力集中现象；当温度由25 ℃升高到300 ℃时，接头最大Mises应力由567.8 MPa增加到616.3 MPa。
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| 图 6 不同温度作用下油管接头Mises应力云图 Fig.6 Mises stress distribution of tubing joint under different temperatures |
沿密封面及扭矩台肩环向路径提取不同温度下的Mises应力，得到密封面及扭矩台肩环向路径Mises应力曲线，如图 7所示。从图可以看出：随着温度升高，密封面及扭矩台肩Mises应力增大；当温度由25 ℃升高到300 ℃时，沿密封面环向路径Mises应力由523.6 MPa增加到574.0 MPa，沿扭矩台肩环向路径Mises应力由551.2 MPa增加到616.3 MPa，均小于材料屈服强度，未发生塑性变形。
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| 图 7 不同温度下油管接头密封面及扭矩台肩环向路径Mises应力 Fig.7 Mises stress of tubing joint sealing surface and torque shoulder ring path at different temperatures |
4.2 密封面及扭矩台肩环向路径接触压力分析
沿密封面及扭矩台肩环向路径提取不同温度下的接触压力，绘制密封面及扭矩台肩环向路径接触压力曲线，如图 8所示。从图 8a可以看出：随着温度升高，密封面接触压力呈现先增大后减小的趋势；温度在25~150 ℃范围内，密封面接触压力随温度升高而增大，增大幅度较小，密封面接触压力在541.2~598.6 MPa范围内；温度高于150 ℃后，密封面接触压力随温度升高而减小；当温度升高到300 ℃时，密封面最小接触压力减小至498.7 MPa。
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| 图 8 不同温度下油管接头沿环向接触压力曲线 Fig.8 The contact pressure of the tubing joint along the ring direction at different temperatures |
由图 8b可以看出：随着温度升高，扭矩台肩处接触压力增大；温度低于50 ℃时，温度对台肩接触压力影响较小；温度在25~200 ℃之间时，扭矩台肩接触压力随温度升高均匀增大，增大幅度较小；温度高于200 ℃时，扭矩台肩接触压力增加幅度较大，这是由于管材屈服强度随温度升高有所下降，扭矩台肩能承受的接触压力也随之有所下降。
综上所述，密封面接触压力在498.7~598.6 MPa之间，始终大于内压，密封面能够起到良好的密封作用；扭矩台肩接触压力在77.3~173.0 MPa之间，可起到良好的辅助密封作用。
5 结论笔者采用Abaqus有限元分析软件，建立了特殊螺纹油管接头三维有限元模型，分析了温度对特殊螺纹油管接头密封面、扭矩台肩及螺纹段Mises应力和接触压力分布规律的影响，得到如下结论。
(1) 不同温度下，沿螺纹锥度方向螺纹段扣牙最大接触压力、最小接触压力分别位于螺纹段第1扣和第11扣处，符合螺纹牙接触压力分布规律；油管接头最大Mises应力均出现在接头密封面及扭矩台肩处。
(2) 随着温度升高，各螺纹牙Mises应力逐渐增大，接触压力增加幅度较小，这是由于特殊螺纹油管接头的螺纹段主要起连接作用，螺纹牙间过盈量相对较小，温度变化对接头螺纹段接触压力影响较小。
(3) 随着温度升高，密封面接触压力呈现先增大后减小的趋势。温度在25~150 ℃范围内，密封面接触压力随温度升高而增大，但增大幅度较小；温度高于150 ℃后，密封面接触压力随温度升高而减小。
(4) 随着温度升高，扭矩台肩处接触压力增大。温度较低时，温度对台肩接触压力影响较小；温度高于200 ℃，扭矩台肩接触压力增加幅度较大，这是由于管材屈服强度随温度升高而有所下降，扭矩台肩能承受的接触压力有所下降。
(5) 温度变化会导致特殊螺纹油管接头密封面接触压力和扭矩台肩接触压力发生变化，进而影响特殊螺纹的密封性能，也会使螺纹接头的Mises应力发生变化，进而影响接头的应力强度。因此，高温高压气井使用的特殊螺纹油管接头，在设计和实际应用中应考虑温度的影响。
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