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碳纳米管强化玻璃钢油管及接箍螺纹强度分析
朱健1, 刘明非2, 刘颖2, 王继波3     
1. 西安石油大学材料科学与工程学院;
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
摘要: 为了对碳纳米管强化玻璃钢油管及接箍螺纹强度进行分析,基于玻璃钢材料模型分析,建立了ø73.0 mm油管及接箍螺纹强度分析模型,分析了机紧过盈量、轴向载荷及内压对螺纹处应力、位移及接触压力的影响。分析结果表明: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;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降到1.1 mm,内压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。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。
关键词: 碳纳米管     玻璃钢     油管     接箍     螺纹     接触压力    
Strength Analysis of Carbon Nanotubes Reinforced FRP Tubing and Coupling Thread
Zhu Jian1, Liu Mingfei2, Liu Ying2, Wang Jibo3     
1. School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University;
2. The International Department, Xi'an Gaoxin No.1 Middle School;
3. Ningxia Northwest Threelan Oil Development Co., Ltd
Abstract: In order to analyze the strength of carbon nanotubes reinforced glass fiber reinforced plastics(FRP) tubing and coupling thread, based on the analysis of FRP material model, the strength analysis model of ø73.0 mm tubing and coupling thread was established. The influences of machine tight interference, axial load and internal pressure on the stress, displacement and contact pressure of thread have been analyzed. The results showed that 0.08 mm machine tight interference caused an equivalent stress of 11.4 MPa, and the axial load of 200 kN increased the equivalent stress to 135.6 MPa, while the internal pressure of 21.0 MPa increased the equivalent stress to 266.9 MPa. The 200 kN axial load resulted in significant relative sliding of the thread meshing surface, making the effective meshing distance reduced from 1.3 mm to 1.1 mm. The internal pressure improves the meshing characteristics, by increasing the effective meshing length to 1.3 mm. The axial deformation of the tubing was reduced, but the radial deformation was increased to 0.9 mm. The conclusion can provide references for the field application of carbon nanotubes reinforced glass fiber reinforced plastics.
Key words: carbon nanotube    glass fiber reinforced plastics    tubing    coupling    thread    contact pressure    

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。

图 1 螺纹连接状态示意图 Fig.1 Schematic diagram of the threaded connection

图 2 分析模型及载荷边界 Fig.2 Analysis model and load boundary

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。

图 3 机紧过盈引起的等效应力云图 Fig.3 The equivalent stress distribution caused by machine tight interference

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。

图 4 机紧过盈引起的接触压力分布 Fig.4 The contact pressure distribution caused by machine tight interference

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)。

图 5 轴向载荷作用下轴向位移分布云图 Fig.5 The axial displacement distribution under axial loads

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。

图 6 轴向载荷作用下接触压力分布 Fig.6 The contact pressure distribution under axial loads

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。

图 7 轴向载荷作用下啮合面滑动及等效应力变化过程 Fig.7 Meshing surface sliding and equivalent stress variation under the action of axial load

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。

图 8 内压作用下轴向位移分布云图 Fig.8 The axial displacement distribution under internal pressure

图 9 内压作用下接触压力分布云图 Fig.9 The contact pressure distribution under internal pressure

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。

图 10 内压作用下等效应力分布云图 Fig.10 The equivalent stress distribution under internal pressure

图 11 内压作用下径向位移分布云图 Fig.11 The radial displacement distribution under internal pressure

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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文章信息

朱健, 刘明非, 刘颖, 王继波
Zhu Jian, Liu Mingfei, Liu Ying, Wang Jibo
碳纳米管强化玻璃钢油管及接箍螺纹强度分析
Strength Analysis of Carbon Nanotubes Reinforced FRP Tubing and Coupling Thread
石油机械, 2018, 46(1): 106-110
China Petroleum Machinery, 2018, 46(1): 106-110.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.01.021

文章历史

收稿日期: 2017-07-10

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