2. 西安高新一中国际部;
3. 宁夏西北三兰石油开发有限公司
2. The International Department, Xi'an Gaoxin No.1 Middle School;
3. Ningxia Northwest Threelan Oil Development Co., Ltd
0 引言
玻璃钢具有密度小、耐腐蚀性强、内表面光滑、摩阻系数小及传热系数小等优点,在供水、采油、储油及输油等领域得到了广泛应用[1-4]。20世纪90年代后,我国油田开始大批量使用玻璃钢管,近几年开始探索在采油管柱中使用玻璃钢材质[5-7]。然而玻璃钢等在使用过程中暴露出一些问题,这也促进了玻璃钢油管的研究和进步。
油管的连接一般采用螺纹连接,钢质油管加工螺纹后螺牙及管体本身的力学性能并没有受到影响,然而由于螺纹的几何特征存在凹凸,在承受工作载荷时,仍然不能避免凹凸形成的几何不连续性引起的应力集中问题,经常出现牙型破坏和断裂等失效形式。玻璃钢油管一般以环氧树脂作为基体材料,以单向或双向连续玻璃纤维作为强化材料,以酸酐类固化剂固化[8-9]。如果采用常规螺纹制备方法,即切削加工螺纹,则必将破坏强化纤维的结构,使得玻璃钢的强度在切削位置不均匀,甚至失去增强作用,从而导致螺纹脱落等破坏现象[10]。
要解决玻璃钢油管在使用中存在的问题,一方面应提高玻璃钢的强度,另一方面应避免螺纹加工对强化纤维的破坏。同时,还应该明确螺纹在各个承载阶段的应力应变情况,以优化螺纹设计。笔者针对碳纳米管强化的玻璃钢油管,采用数值模拟的方法研究了螺纹在上扣机紧、轴向拉伸及内压等载荷作用下的应力和变形规律,所得结论可为碳纳米管强化玻璃钢油管的现场应用提供参考。
1 分析模型 1.1 材料模型笔者分析的玻璃钢油管为碳纳米管强化玻璃钢,以环氧树脂为基体。这种复合材料表现出了优异的力学和综合性能,特别是强度及耐热能力都得到了大幅提高。由于制作水平和纳米管质量分数不同,玻璃钢的力学性能有较大差异。选取材料为添加质量分数0.5%的碳纳米管强化玻璃钢,其密度为1 960 kg/m3,抗拉强度为305 MPa,弹性模量为4.5 GPa。油管端部的外螺纹及接箍内部的内螺纹均为模具压制而成,因此螺纹部分不存在切削加工造成的增强纤维断裂问题。
1.2 几何模型图 1为螺纹连接状态示意图。由于油管及接箍相对于接箍中心面对称,选择1/2模型进行分析。在对称面上设置对称边界条件,以减小分析规模。另外,油管及接箍均为轴对称结构,可以利用轴对称特性建立平面分析模型。油管及接箍均为ø73.0 mm(2 7/8 in)规格,螺纹为API 5B—2010标准圆螺纹,螺纹连接长度如图 1所示。考虑到油管长度对分析结果的影响,分析模型的长度取3倍管径。最终建立的分析模型如图 2所示。
1.3 边界条件及载荷
螺纹上扣时,首先手动紧固到图 1中所示的管端手紧平面,然后用机器紧固到机紧端面,两者之间相差1个螺距。由于螺纹为锥螺纹,在机紧过程中必然造成螺纹面之间的过盈配合,过盈量为0.08 mm。分析单元为轴对称单元,相当于施加了轴对称约束,同时对接箍中心平面施加对称约束。螺纹面之间为接触边界条件,摩擦因数为0.02。根据实际工况,将分析过程分为3个载荷步:第1步施加过盈配合,第2步施加管体自身重力,第3步施加内压。根据SY/T 7043—2016的规定[11],该规格玻璃钢油管的耐压应在14 MPa,水压试验时压力p应该达到21 MPa,轴向载荷的承载能力应该达到200 kN,折算为均布载荷F为50 MPa。
2 结果与讨论 2.1 机紧过盈的影响机紧过盈0.08 mm引起的等效应力分布如图 3所示。由图可以看出,不施加载荷,仅仅上扣机紧作用,造成油管接头内等效应力峰值达到了11.4 MPa,出现在接箍与油管啮合的第1个螺纹(最外侧)承载面。该应力远小于碳纳米管强化玻璃钢的抗拉强度,因此螺纹安全,不会出现断裂现象。
从图 3还可以看出,油管与接箍螺纹的牙顶与牙底之间仍然有间隙存在,接触发生在螺纹的承载面,从而导致该位置的应力水平较高,而牙顶及压根的应力水平较低。这几个螺纹处的接触压力分布见图 4,峰值接触压力为13.3 MPa,远小于螺纹牙面被挤毁的极限值,承载面啮合距离为1.3 mm。
2.2 轴向载荷的影响
螺纹连接安装完毕后,油管及接头下入井中,随着下入深度的增加,轴向载荷逐渐增大,油管远端的轴向位移逐渐增大。轴向载荷作用下轴向位移分布云图如图 5所示,当50 MPa的轴向载荷完全作用于油管后,轴向位移可达1.5 mm(伸长)。
随着轴向载荷的增大,油管与接箍螺纹啮合面出现了明显的相对滑动,且油管与接箍的螺纹均为锥形螺纹,即当油管产生向上的位移时,将造成啮合面过盈接触,接触压力增大;当油管产生向下的位移时,啮合面啮合部分的尺寸减小,接触压力增大,2螺纹的牙顶与牙根之间的间隙增大。轴向载荷作用下接触压力分布云图如图 6所示,峰值接触压力为92.9 MPa,出现在油管螺纹与接箍啮合的第1个螺纹承载面。此时啮合距离由最初的1.3 mm缩短为1.1 mm,导向面完全脱离,螺纹连接存在脱扣的可能。经过观察,当轴向载荷达到25.0 MPa时,螺纹导向面就已经完全脱离,从而失去载荷传递作用。
随着轴向载荷的增大,等效应力峰值迅速提高,且逐渐从接箍的承载面过渡到油管螺纹根部,应力演变过程如图 7所示。
由图 7可以看出,油管内未啮合的螺纹根部也出现了比较高的应力,峰值应力出现在油管与套管啮合螺纹第1牙的齿根部位。当50 MPa轴向载荷完全作用于油管后,该处的峰值应力达到了135.6 MPa,应力水平仍然小于碳纳米管强化玻璃钢的抗拉强度。
2.3 内压产生的影响当油流通过油管时,油压使得油管沿径向膨胀,从而导致油管缩短。图 8为21.0 MPa内压作用下轴向位移分布云图。由图可知,油管远端轴向位移由原来的1.5 mm(伸长)变为0.8 mm(伸长)。啮合面发生了与上一个过程相反的滑动,承载面的啮合距离增大,由1.1 mm增加到1.3 mm。图 6中峰值接触压力对应位置的接触压力降为91.8 MPa,与轴向载荷作用下的压力水平相比,压力略有降低。峰值接触压力为414.2 MPa,仍出现在啮合的第1个螺纹承载面,如图 9所示,压力水平较高,存在使碳纳米管强化玻璃钢破坏的可能。
21.0 MPa内压完全作用后的等效应力分布如图 10所示。由图可知,峰值应力为266.9 MPa,出现在接箍的半个齿面处。尽管该处的应力水平仍然低于碳纳米管强化玻璃钢的抗拉强度,但是高应力的存在是一种安全隐患,同时也说明该螺纹设计不合理。由于该处并不承担载荷传递,可以通过修平该斜面达到降低应力水平的目的。内压作用下螺纹部分的径向位移很小,油管管体部分发生膨胀的径向位移,最大变形量为0.9 mm,如图 11所示。
3 结论
(1) 机紧过盈量0.08 mm产生的等效应力为11.4 MPa,而200 kN的轴向载荷使得等效应力增大到135.6 MPa,21.0 MPa内压使得应力水平提高到266.9 MPa,峰值应力低于碳纳米管强化玻璃钢的抗拉强度。
(2) 200 kN轴向载荷作用使得螺纹啮合面产生明显相对滑动,有效啮合距离从1.3 mm降低到1.1 mm,导向面完全脱离接触,同时造成油管产生1.5 mm的轴向伸长。内压的作用改善了啮合特征,使得有效啮合长度恢复到1.3 mm,轴向变形减小,但是油管的径向变形增大到0.9 mm。
(3) 螺纹设计存在不完善之处,接箍螺纹的起始面应修平,以降低该处的应力水平。
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