（机械制造及其自动化专业论文）油管螺纹粘扣问题的仿生试验研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文油管螺纹粘扣问题的仿生试验研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：型蕴丝年上月卫。 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：l 上丛! ! ! 生年l 月且目 导师签名：l 盘! l2 1 1 三一年王月l j 摘要 油管失效问题是石油生产中一个普遍存在的问露，直接关系到杠油开采能否顺利 进行而导致油管失效的主要原因之一是油管螺纹发生了粘扣现象。本文以提高油管 螺纹的抗粘性能为目标，通过对油管螺纹粘扣的机理分析与仿生非光滑表面特性的研 究，结合仿生技术运用有限元方法模拟油管螺纹与接箍的拧接过程，结果表明，加入 非光滑结构的仿生油管螺纹在标准工况下的虽大接触应力明显低于普通油管螺纹并 且应力分布较为平均。为了寻找最佳的仿生结构参数，本文采崩试验优化设计对非光 滑结构的直径、直径深度比、密度和分布牙数等参数进行了优化，得出当在螺纹中部 五个齿面分布e ，每个齿上有8 个直径和深度均为1 5 0 “r n 的仿生单元体时油管螺纹 的粘扣现象改善最佳。根据最佳仿生参数，加工出仿生油管螺纹，并通过螺纹拧扣设 备对其抗粘性能进行测试结果表明，仿生油管蝶纹的抗粘性能明显优于普通油管螺 纹。 关键字：油管螺纹粘扣仿生非光滑试验优化设计 a b s t r a c t t h et u b i n gb r o k e na c c i d e n t si sac o m m o np r o b l e mi no i lp r o d u c t i o na n dr e l a t e dt ot h e e x p l o i t a t i o no f o i ld i r e c t l y , am a i nc a u s eo f t u b i n gb r o k e na c c i d e n t si sm b i n gt h r e a dg a l l i n g i no r d e rt oi m p r o v et h ea n t i - g a l l i n ga b i l i t yo ft h et u b i n gt h r e a d b ya n a l y s i so fg a l l i n g m e c h a n i s mo ft u b i n gt h r e a da n dr e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so fb i o n i cl i o n s m o o t hs u r f a c e b yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d s c r e wt o g e t h e rp r o c e s sw a ss i m u l a t e dc o m b i n e dw i t h b i o n i ct e c h n o l o g yi n t h i sp a p e r a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t t h em a x i m u mc o n t a c ts t r e s so f b i o n i ct u b i n gt h r e a dw h i c hi o i nt h en o n s m o o t hs t r u c t u r ew a ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h e c o m m o nt u b i n gt h r e a di ns t a n d a r dc o n d i t i o n sa n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r e h o m o g e n e o u si no r d e rt of i n dt h eb e s tb i o n i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h i sp a p e rm a k e sa n o p t i m i z e dd e s i g no nd i a m e t e r d i a m e t e rd e p t hr a t i od e n s i t 3a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft e e t h n t t m b e la n df i n do u tt h a tt u b i n gt h r e a d e dg a l l i n gp h e n o m e n o nw a si m p r o v e db e s tw h e n t h e r ea r e8b i o n i ce l e m e n t sw h i c hd i a m e t e ra n dd e p t ha r e15 0p mo ne a c ht e e t ho ff i v e t o o t hs u r f a c et ht h em i d d l eo f t h r e a da c c o r d t h gt ot h eo p t i m i z eb i o n i cp a r a m e t e r sb i o n i c t u b i n gt h r e a dw a sm a c h i n e da n dt h ea n t i - g a l l i n ga b i l i t yw a st e s t e db yc o u p l i n gs c r e wo n m a c h i n et h er e s u l ts h o wt h a ta n t i g a l l i n ga b i l i t yo ft h eb i o n i ct u b i n gt h r e a di sb e u e rt h a n t h ec o m m o nt u b i n gt h r e a d k e yw o r d s ：t u b i n gt h r e a d ，g a l l i n g ，b i o n i cn o n s m o o t h ，e x p e r i m e n to p t i m a ld e s i g n 目录 摘要 i a b s t r a c t1 1 目录i i i 第一章绪论1 1 1 本文研究目的及意义 1 i2 国内外研究现状2 i3 仿生非光滑理论简介6 14 本文的主要研究内容9 第二章油管螺纹粘扣机理及仿生基础 1 0 21 油管螺纹粘扣机理力学分析1 0 22 油管螺纹仿生试验基础1 5 2 3 本章小结 18 第三章仿真油管螺纹有限元模拟分析及结构优化 1 9 3 1 有限元法简述 1 9 32 有限元模型的建立2 0 33 结果及分析2 3 3 4 试验设计及其优化 2 4 35 本章小结2 7 第四章仿生油管螺纹的j y _ 及性能测试 2 8 4 l 仿生油管螵纹的制各 2 8 42 仿生油管螺纹的拧接试验3 7 43 本章小结4 2 第五章总结 4 3 5 】全文总结4 3 52 本文的创新点4 4 53 展望“ 致谢 4 5 参考文献 4 6 第一章绪论 11 本文研究目的及意义 20 1 1 年7 月国内最大的油气田蓬莱1 9 3 油田发生漏油事故，造成3 4 0 0 平方 公里的海域受到污染，严重破坏了自然环境，并给中国海洋石油公司带来巨大的经济 损失。目前，我国的石油产量位居世界第四，因此，保证油井安全高教地开采显得尤 为重要。油管是石油与天然气生产的关键基础构件，它是开采石油与天然气的重要通 道虽然油管的失效不会导致油气井的完全报废，但是因油管失散( 主要是螺纹失效) 需要壳全更换管道以及造成的原油泄漏等问题会带来巨大的经济损失。我国油田每年 因为油管失效而造成的直接经济损失高达数十亿。油管的失效问题严重影响了油田的 正常生产，这已成为国内外石油开采中的一个亟待解决的重要课题。油管螺纹联接 处是其最脆弱的部分国外油管失效事故中，有“发生在螺纹接头处，国内则高达 8 6 而油管螺纹接头的失效形式主要是油管螺纹粘扣问题口j ： 根据i s o13 6 7 9 标准的最新定义粘扣是一种发生在相互接触金属表面间的冷焊 如果油管螺纹在联接过程中有拎焊现象发生，同时还伴随着两接触面之间的相对滑动 或旋转这将会引起冷焊形成粘连部位的撕裂，进而导致螺纹失效叽油管螺纹粘扣 主要是在高温高压下无润滑作用时接触表面由于弹塑性变形拨生挤压剥落、犁沟和 嵌入的现象而导致的表面损伤过程”】。为防止螺纹粘扣现象的发生国内外研究者常 采用的技术手段有：1 设计特殊螺纹接头以弥补传统的a p i 螺纹接头设计的缺陷。例 如日本j i 崎公司研制的f o x 特殊螺纹、法国瓦鲁瑞克公司与德国曼内公司联合开发 的v a m - t o p 特殊螺纹、日本钢铁制造公司的n s c c 特殊螺纹等p 。i 。特殊扣型的螺 纹的抗粘扣性能有所提高但并没有根本性地解决粘扣问题，而且特殊扣型的螺纹接 头在加工过程中需要专用的设备，加工精度也难以保证。2 油管螺纹使用时涂抹螺纹 脂能增强螺纹的抗粘扣性能m j 。高品质的螺纹脂因为有较小摩擦因数进而使粘扣倾 向减小，避免了粘扣现象的发生h j 。但质量差的螺纹脂仍然会引起粘扣现象的发生 而且螺纹脂在低温下涂抹对粘扣不会产生明显作用，并且螺纹脂己不能满足特殊井况 ( 尤其是高压气井) 的要求。3 l 提高螺纹表面处理技术。用于提高油管螺纹抗粘扣性能 最常见的表面处理方法多为化学处理例如磷化、镀锌、镀铜等。管村研究所的熊庆 人、王长安经过对不同磷化工艺对油管抗粘扣性能的研宄得出螺纹表面如分布连续 均匀、厚度适宜且结合紧密的磷化膜是有助于提高油管的抗粘着性能| 】。在油管螺纹 采用磷化处理( 辞盐磷化) 中大多数的磷化层的厚度不均匀且不连续，表面几乎看 不清磷化层厚度。4 规范油管联接的操作过程。通过正确地操作配套工具和规范现场 操作方法可以减少粘扣事故的发生。但随着上扣扭矩的增大，粘扣数量及粘扣程度将 直线增长。i 司时，操作过程因人而异具有不确定性，不能保证每次操作都完全规范 一致。 目前油管螺纹表面处理方式都是在不改变原有光滑表面的情况下，在其表面镀 膜形成隔离层阻止金属间的直接接触来防止粘扣现象的产生，而未考虑到表面的 几何结构对抗粘扣性能的影响。吉林大学任露泉院士所领导的课题组经过对土壤生物 体表的观察，提出了仿生非光滑减阻耐磨理论，并对仿生非光滑表面做了大量科学研 究j 。研究结果表面，仿生非光滑表面能产生应力缓释效应，降低物体表面刚性，使 得物体表面在外力作用下，更容易发生形变，吸收能量，缓解局部应力过大现象：仿 生非光滑表面比光滑表面能更好的供油润滑，尤其在高应力区也能通过挤压把储存的 润滑油供出防止出现断油现象形成黏着磨损；仿生非光滑表面的凹坑结构能降低夹 杂的颗粒给表面带来的损伤程度有效降低发生粘扣现象的机宰。仿生非光滑表面技 术不仅会产生表面改性，而且充分考虑表面几何结构对耐磨性和润滑性的影响。基于 以上问题本文提出把仿生技术和油管螺纹的抗粘扣技术相结合解决油管螺纹的粘 扣失效问题。仿生非光滑耐磨技术为油管螺纹粘扣问题提供了新的解决途径。 12 国内外研究现状 1 2 1 油管螺纹粘扣机理研究现状 国内外对油管螺纹的力学分析做了大量研究，为油管螺纹粘扣机理的研究奠定了 基础。英国布鲁内尔大学的hb a h a i 等人建立了a p i 油管螺纹联接头的参数化模型 并对轴向应力、弯曲应力和接触应力集中的因素进行了分析1 1 2 - 1 3 i 。袁光杰等人通过实 验研究了油管联接螺纹在不同的力矩和速度下进行装卸时螺纹表面的应力分布，在用 扫描隧道显微镜对螺纹麦敬表面观测后对引起螺纹粘扣失效的主要因素进行了分析 ”。陈守军等人基于机械弹性理论对管螺纹联接中载荷的分布提出了一种新的分析方 法，利用这种分析方法能够计算出每一个牙型上所受载荷的太小【l ”。下面具体说明 两种螺纹失效机理观点： l 孽擦磨损观点： 这种观点认为摩擦磨损是导致粘扣现象发生的根本原因| l “并且把影响粘扣的磨 损分为了三个类。第一，机械粪磨损。此粪磨损主要是由于摩擦过程中的机械运动所 产生的磨损它包括磨粒磨损、脆性剥落等，磨粒磨损是由于外界的坚硬颗粒或者表 面的硬凸起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象它是机械磨损中最常见的形式 ( 1 a lo 油管螺纹在联接过程中会夹杂着一些颗粒，如螺纹加工中的毛刺、螺纹脂中的硬 金属颗粒、沙尘等，这些颗粒夹在两个螺纹面之间，类似于研磨磨粒与螺纹表面产 生了极高的接触应力，这种应力致使螺纹的金属表面发生脆裂或剥落，产生犁沟作用， 即微观切削过程。第二，黏着磨损。此娄磨损是由于分子力作用形成表面的粘结点 在经过机械运动使粘结点剪切而产生的磨损。油管螺纹在拧接过程中，局部应力过高 而发生了黏着效应形成了黏着结点由于继续相对滑动而产生的剪切力使螺纹表面 的材料脱落成为磨屑或者从一个表面转移到另一个表面上。黏着磨损强度不同对螺纹 的粘扣的影响不同轻度的磨损会产生材料的脱落与划痕，严黄的黏着会对螺纹产生 大面积的破坏，使螺纹胶合即最严重的粘扣现象。影响螺纹表面发生黏着磨损的因 素有：( 1 ) 螺纹表面的载荷。研究认为接触面在一定的压力下一段时间就会发生胶 合现象：( 2 ) 螺纹表面温度。摩擦过程中产生的热量使得表面温度升高，其中表面接 触点的温度最高最容易发生黏着效应：( 3 ) 螺纹表面材料。由于脆性材料比塑性材 料的抗黏着能力高可通过螺纹表面硬化来提高螺纹的抗粘能力。由于同种金属的相 容性大易发生黏着效应，可以对螺纹表面处理形成磷薄膜将两金属面隔开，来减少黏 着磨损。第三，腐蚀磨损。在油管螺纹使用过程中螺纹金属表面与周围的介质发生化 学或者电化学反应而产生腐蚀，在微振过程中腐蚀物剥离继续与新的表面发生反应， 此过程反复进行形成了腐蚀磨损。油管螺纹粘扣机理的摩擦磨损观点认为以上三种摩 擦复合作用最唇形成了油管螺纹的粘扣现象。 2 接触应力观点。 这种观点认为接触应力过大是造成粘扣现象的主要原因 ”j 。无论是何种型号油管 螺纹还是在螺纹的不同部位，接触应力越大越容易发生粘扣现象。油管螺纹的接触 应力主要由螺纹联接表面的过盈造成的。上卸扣扭矩一般采用a p i 推荐最佳上卸扣扭 矩标准但现场操作不当会导致扭矩增大使得接触应力过大产生粘扣现象。一般 油管螺纹的接触应力分成马蹄型分布，即两端高中间低，高应力区集中在螺纹的两端。 国内外常用有限元软件与试验相结台的方法，对油管螺纹的应力分布进行了综台分 析。研究结果表明，对油管螺纹的参数进行优化及设计非a p i 标准的油管纹螺，都能 改善几何约束过盈而带来的应力过大防止螺纹粘扣现象的发生。 1 2 2 油管螺纹参数影响研宄现状 油管螺纹几何参数对粘扣现象产生影响主要是由于参数不当使油管螺纹联接时 局部过盈量过大而出现应力集中导致发生粘扣现象。油管螺纹参数不当主要来源于油 管螺纹加工时的偏差。具体油管螺纹几何参数对粘扣现象的影响如下： l 根据文献 1 9 】对锥度影响的研究锥度的变化对油管螺纹等效应力的影响不 大- 但对接触应力的峰值影响较为明显。并提出了通过改变锥度来改善螺纹分布载荷 0 0 h - 案其方案为降低接箍螺纹大端前三扣螺纹的锥度或者同时降低油管与接箍螺纹 大端前三扣螺纹的锥度。 2 螺纹的螺距增大或减小都会引起螺纹表面接触应力峰值的增大i 如i 。如果油管 与接箍螺纹螺距一致，当螺距为标准参数时，其表面接触应力峰值最小。当油管与接 箍螺纹螺距不一致时油管螺纹的小端取螺距的上偏差大端取螺距的下偏差能有 效地降低两端的接触应力i “】。 3 牙型角无论增大或减小都会导致牙型的不规则，使螺纹载荷分布更不均匀更 易发生油管螺纹的粘扣现象【”i 。 1 2 3 螺纹表面处理研究现状 油管螺纹表面处理主要是使螺纹表面形成涂层避免螺纹表面金属与金属直接接 触而发生黏着磨损产生粘扣现象。目前，油管螺纹普遍采h 的处理方式有锰盐磷 化、锌盐磷化、镀铜、镀锌等，其中磷化处理应用最为广泛。无论那种涂层都要达到 定的厚度才能起到减少荤擦防止粘扣的作用i 划。 在磷化处理方式中，主要分为锰盐磷化和锌盐磷化两种。锌盐磷化涂层抗腐蚀能 力较强，而锰盐磷化涂层的分解温度高，承载能力较好，表面硬度低，并且磷酸锰的 柱状细晶具有更好的耐磨效果能起到理想的保护作用o i 。但是不同的磷化工艺对其 厚度、均匀性、连续性及牢固程度影响很大，根难让磷化处理技挥出虽佳效果。镀铜 处理的油管螺纹具有良好的抗粘性、密封性及抗腐蚀能力并且镀铜涂屡比磷化涂层 分布更均匀其性能明显优于磷化处理的油管螺纹但是镀制处理的成本较高并且处 理后的废水严重污染环境。镀锌处理的成本虽然比镀铜处理较低，但是其性能效果远 不如镀铜的效果好。 1 2 4 特殊油管螺纹研宄现状 特殊油管螺纹也称非a p i 螺纹，简称p j ，其种类己达几百种。2 0 世纪6 0 年代 美国的a t l a sb r a n d f o r d 公司与h y d r l l 公司台作开发了第一个特殊油管螺纹。 经过几十年的发展特殊螺纹接头具有联接强度高、气密性好、抗粘性能好等特点。 1s t - l 特殊螺纹接头 s t - l 特殊螺纹接头是由a t l a sb r a n d f o r d 公司研制直连式特殊油管螺纹。s t - l 特 殊螺纹接头的特色是去掉了接箍，把内外螺纹都加工在油管上使得管柱粗细一致 有利于顺利下井与水泥的封固特别适用于小井眼小间隙的固井| 6 i 。 斟11s tl 特殊螺纹接头 s t - l 特殊螺纹接头的结构如图1l 所示。s t - l 特殊螺纹采用了l ：1 6 的锥度，但 是它的螺纹形式与a p i 标准螺纹有报大不同首先s t - l 特殊螺纹为双头偏梯形螺 纹其导程为螺距的2 倍，上卸速度是传统螺纹的2 倍。其次，s t - l 特殊螺纹外形呈 钩状，齿形导向角为4 5 。，承载面角为9 。，这样使得螺纹上扣时利于对正，防止螺纹 跳扣。s t - l 特殊螺纹的密封主要是靠内外螺纹的主密封锥面与锥面和副密封柱面与柱 面在弹性范围内产生过盈，形成接触压力而密封的。当螺纹联接后嵌入主密封面与 螺纹之间的t e f l o n 环形密封圈还可以起辅助密封作用。s t - l 特殊螺纹的扭矩台肩的 设计是它的特色之一台肩角度为一15 。是个外逆向的台肩。这种台肩的设计具有较好 的抗内压能力+ 并且能起保护螺纹与辅助密封的作用。 s t - l 特殊螺纹接头在结构上特征使它具有良好的气密封性与抗压强度。但螺纹直 连式的设计使得联接的有效横截面积减小抗拉强度下降。双头螺纹的设计在提高上 扣速度的i 司时并不利于扭矩的控制，影响了接头的性能。 2f o x 特殊螺纹接头 1 9 8 5 年日车川崎钢铁公司与英国h u n t i n g 油田服务公司联台开发设计出了f o x 特殊螺纹接头。螺纹联接过程中由于7 0 载荷集中在接近密封面的螺纹牙承担而 导致的螺纹牙：的变形失效的问题。f o x 特殊螺纹是在a p i 偏梯形螺纹的基础上引入 “变螺距”的概念而设计成的使螺纹牙上的载荷分布更加台理。f o x 特殊螺纹密封 采用了气密封性能较好的球面对球面金属密封结构保证在极端温度与载荷的条件下 密封结构的耐压性 圈12 p o x 特殊螺纹接头 f o x 特殊螺纹接头的结构如图12 所示。f o x 特殊螺纹的锥度与牙型都与a p i 偏梯形螺纹相同。不同之处主要是采用了变螺距的形式。管体外螺纹螺距与接箍内螺 纹的螺距1 均为a p i 标准螺距但接箍内螺纹的螺距2 要比a p i 标准螺距小而接箍 内螺纹的螺距3 要比a p i 标准螺距大。f o x 特殊螺纹接头的球面对球面金属密封结 构t 不仅起到了良好的密封作用同时还起到了扭矩台肩的作用。f o x 特殊接头继承了 a p i 偏梯形螺纹的优点同时使载荷分布更加合理提高了管体的综合性能适合于含 有腐蚀性气体的深井中开采使用。 3n s c c 特殊螺纹接头 由日本钢铁制造公司研制的n s c c 特殊螺纹接头是采j i | j 改进的偏梯形螺纹与1 ： i o 的锥面- 锥面金属密封和双内扭矩台肩设计使其具有高效的联接率同时又具有良 好的密封性和抗压缩、抗过扭矩的性能旧， 图13 q s c e 特殊螺纹接头 n s c c 特殊螺纹接头的联接如图l3 所示。n s c c 特殊螺纹外形、锥度都与a p i 偏梯形螺纹一样只是调整了螺纹的齿高、螺距、紧密距等参数的尺寸与公差范围。 n s c c 特殊螺纹接头采用了1 ：1 0 的锥面与锥面密封发热结构，使得接触面积增大 增强了密封效果。n s c c 特殊螺纹接头的扭矩台肩是它的主要特点之一，它是由两个 9 0 | 0 台肩组成，靠近螺纹牙的为主台肩，另一个为辅助台肩。这样的设计不但提高了 螺纹的抗压缩与抗过扭矩的能力，同时螺纹联接后产生的干涉使扭矩台肩还能起到辅 助密封的作用，并能保护主密封结构。由于n s c c 特殊螺纹接头的密封效果好，承受 抗拉伸压缩强度能力强因此，它在热采稠油井中发挥出很好的作用。 目前，国内所用的特殊螺纹接头大部分都是进口的。由于我国的特殊螺纹接头发 展起步较晚，所以在生产和使用过程中存在着较多问题。第一对特殊螺纹接头不够 了解没有根据油田情况选择适合的特殊螺纹接头盲目使用。第二，国内能生产特 殊螺纹接头的厂家很少产品太少，产量太低。第三，材料限制，国内很难生产出高 质量的材料即使设计出特殊螺纹接头也报难得到应用1 2 4 1 。 13 仿生非光滑理论简介 1 3 1 仿生学简介 仿生学是一门研究生物系统的结构和性质通过模拟生物系统的原理为工程技术 提供新的设计思想及生物系统特性的科学。仿生学是一门新兴的边缘科学，是一门包 含多门学科的交叉科学。其研宄领域较广从对生物的结构仿生到生物生命过程、生 物材料、生物智能及生物的进化过程等方面均是仿生学研究范围。 当今科学技术的发展正处在一个高渗透互相交叉的综合科学时代仿生学通过模 拟生物系统的原理把对生物性能的研究和工程技术实践结台起来，对生物学与工程技 术的发展起了极大的促进作用。通过其它学科的融入，对生物科学的研宄方法产生了 根本的转变：无论是在内容上还是在分析水平上都产生了深远的影响。因此仿生科 学研究展现出无穷无尽的活力，它的未来发展与之取得成就将会促进科学技术的大力 发展。 1 3 2 生物表面的非光滑现象 在大自然中拥有成千上万的种物，经过亿万年的进化优胜劣汰。生物系统无论是 结构还是功能都已经达到了几乎完美的程度。在日常生活中不粘锅被越来越多的人 所熟知，而这项技术是模仿了荷叶表面特性而发明的。由于水滴与荷叶表面的接触角 和滚动角分别为1 6 】。和2 。使之就有了超疏水性和自清洁效应【“j 。这样强的超疏 水能力使荷雨水落到叶面容易滑落，并且能清洁叶片表面的尘土达到自我清洁功能。 b a r t h l o r t 和n e i n b u i s l 2 7 1 的研宄认为荷叶表面超强的疏水性是由叶面上微小的乳失结构 以及叶表的蜡状物共同作用引起的。根据最新科研成果表明荷叶表面超疏水的根奉 原因是由荷叶表面的微米乳突上面的微纳米尺度复合的阶层结构引起的。如图l _ 4 ab 所示，在显微镜f 可以看出许多纳米级的结构分支组成了乳窦而大量直径为5 。9 撒米的乳交叉形成了荷叶表面。荷叶的下表面同样存在着纳米结构【图14 c ) ，它主 要功能是阻止荷叶f 层表面被润湿。荷叶表面的微米乳突上的纳米结构是产生超疏水 性的主要原因。根据文献 2 8 】：通过荷叶表面的微纳米复合结构能有效地降低荷叶表 面液体之间的接触，增大了接触角，降低了滚动角从而形成了趁高的疏水性。 图i4 荷叶表面微观结构图 水黾可咀在站在水面上，并在水面上跳跃，这种特性过去被认为是水黾的腿部分 泌油脂，由此所产生的张力造成的，但最新的研究发现并非如此。相关研究表明，水 黾的腿部具有独特的微纳复合阶层结构，如图15 所示。水黾腿表面定向排列着微米 尺度的针状刚毛大部分刚毛长5 0 p r o 左右直径不足3 m 。通过观察发现每根刚毛 表面都具有螺旋状的纳米尺度的沟槽，这些刚毛定向排列与腿表面约成2 0 。角。 图15 水黾的腿部微观结构图 另外水在水黾腿表面的接触角高达1 6 76 0 正是通过这种独特的微纳复台阶层 结构实现其超疏水和高表面支撑力。当水黾站在水面上时，空气被有效地吸附在微米 刚毛和螺旋纳米沟槽的缝隙中，吸附在沟槽中的气泡形成气垫有效阻止了水滴的浸 润。模拟水黾的腿部结构，清华大学张希教授领导的研究小组利用层层自组装和电化 学沉积技术，制各得到r 超疏水的漂浮状金纳米线| 2 清华大学校石高全教授的课 题组在铜丝上修饰超疏水性纤维涂层俐。 科学家对鲨鱼的皮肤表面进行研宄发现，鲨鱼的体表布满了宽度在5 0 9 r n 的肋条 状真皮组织。这种组织是典型的冠状结构，每冠状结构上有3 - 5 条径向沟槽一直延伸 到尾部，如图16 所示。n a s a 兰利研究中心是最先开始对鲨鱼非光揖体表的减阻性 能进行研究p “。研究表明，这种具有纵向沟槽的非光滑表面在水中产生的剪切阻力比 光滑表面有明显降低。兰利公司根据仿照鲨鱼表皮减阻原理利用微压印技术生产出类 似于鲨鱼体表的仿生薄膜并将它成功地应用到了飞机体表，减少了8 的飞行阻力 ”“。空中客车公司将防鲨鱼皮薄膜用到a 3 2 0 试验机表7 0 面积上。节省了卜2 油 耗”。澳大利亚s p e e d o 公司研制的具有模仿鳖鱼皮肤结构f a s t s k i n 系列的泳农能 够提高3 75 游进速度，有效地减少了水的阻力j 。 图17 土壤动物非光滑表面微观图 在自然界中普遍存在着生物的非光滑现象。在蜣螂、蝼蛄、蚯蚓、蚂蚁及穿山甲 等土壤动物的体表都呈现几何非光滑特征其中单元体的形状有鳞片形、凸包形、凹 坑形、刚毛形和波纹形等，它们随机地或规律地分布于土壤动物的体衰，如图17 所 示”。吉林大学任露泉院士对土壤动物的非光滑体表研究得出几何非光滑结构具有 脱附减阻的功能它是土壤动物能出入粘性较大的粪便和土壤而身体却保持光滑的主 要原因“。土壤动物进化过程中为了适应自己的生存环境，不司土壤动物体表形成了 不同形状- f 周分布的儿何非光滑形态，这主要取决于它们的行动方式与周围的环境。 吉林大学地面机械仿生重点试验室通过对些典型土壤动物脱附减阻性能的研 究，提出生物非光滑耐磨理论。该理论普遍己经成功应用于农业机械和工程机械领域， 解决了夫量的工程实际问题。例如，犁壁上形成合理的仿生非光滑表面能减少1 5 一1 8 阻力拖拉机5 6 】26 油耗：仿生柔性降阻内衬能降低挖掘机挖斗和铲斗2 18 的 阻力；运用仿生电渗技术的落煤斗的脱附率能达到9 0 ，使生产效率提高了3 4 。在 机械易磨损部件j 一生物非光滑耐磨理论也得到了广泛应用。在发动机缸套和擂塞的表 面加工出台理的仿生非光滑表面使它们具有仿生非光滑特性，发现其耐磨性是光滑 表面的4 倍口”。生物非光滑耐磨原理应用到轧辊上，使其使用寿命提高了3 倍以上【”l 。 14 本文的主要研究内容 本论文以提高油管螺纹的抗粘性避免粘扣现象的发生为目标通过对油管螺纹粘 扣的机理分析与仿生非光滑表面特性的研宄，提出了以仿生非光滑技术来提高油管螺 纹的抗粘性，改善粘扣现象，具体研宄内容如下： 1 从力学角度对油管螺纹粘扣失效进行理论分析通过计算求出油管螺纹的轴向 分布载荷并对其结果进行分析，得出螺纹粘扣失效的理论原因。 2 根据对仿生非光滑表面的研宄，分析仿生表面具有的特性对油管螺纹在拧接过 程中产生的影响，基于仿生非光靖理论优选仿生单元的结构形态及分布。 3 建立具有仿生非光滑表面的油管螺纹模型，利用有限元软件对油管螺纹的拧接 过程进行模拟。通过与普通油管螺纹的模拟结果进行对比分析，得出仿生非光滑表面 在拧接过程中对接触应力和载荷分布产生的影响。 4 通过试验优化设计对仿生油管螺纹仿生单元的参数进行优化，求出抗粘扣性能 最好的参数组合。 5 根据试验条件，合理制定油管螺纹仿生非光滑表面的激光加工工艺，加工出仿 生油管螺纹。 6 分别对仿生油管螺纹与普通油管螺纹进行拧接性能测试。 本文的技术路线如图l8 所示： 圈18 油管仿生螺纹表面结构的优化设计与试验研究的技术路线 第二章油管螺纹粘扣机理及仿生基础 21 油管螺纹粘扣机理力学分析 油管螺纹失效问题直是影响各油田正常工作的主要问题之，而且油管最容易 发生失效的部位是螺纹联接处( 8 0 以l 的油管失效事故都发生在螺纹联接处) 。囡此 通过对油管螺纹联接处进行力学分析，掌握其力学特性，对提高油管螺纹的联接抗粘 性防止油管螺纹失效起着至关重要的作用。在油管的联接使用过程中，池管螺纹的主 要应力都集中在油管螺纹的两端螺纹中部承担了很小的载荷+ 造成了轴向裁荷分布 不均匀使螺纹两端成了最容易发生粘扣失效的部位。因此为了提高油管螺纹的抗 粘扣性能，须从研宄油管螺纹联接处的力学机理入手分析螺纹联接的载荷分布。为 下一步研究做好理论基础。 油管螺纹的整体受力分析非常复杂。因为螺纹联接的接触曲面是带锥度的空间螺 旋曲面，无论是建模还是加载求解都有一定困难。其次，螺纹的联接还涉及到非线性 材料的设定和接触摩擦状态分析等问题，要精确的求得螺纹上的形变或裁荷是很难实 现的，所以需要进行合理的简化，才能建立有效的数学解析模型e 根据对油管螺纹联接情况的分析，本文对螺纹模型进行以下简化处理： 1 由于油管螺纹的升角较小，所以本文忽略螺纹螺旋升角的影口向，把三维模型简 化成用二维轴对称模型进行分析： 2 螺纹的所有形变均接弹性哥；变处理： 3 由于油管螺纹为锥管螺纹，所以油管螺鼓的节径用锥管螺纹有效长度上的节径 平均值来代替。 d ，2 圈21 油管螺纹联接结构示意图 卜螺纹上扣时的轴向力 月一螺纹锥面所受的径向力 1 0 卜螺纹锥面所受的法向力口一圆锥角 吐一油管螺纹的节径 根据受力平衡与油管螺纹联接结构的几何关系( 图21 ) 推出f 、胄、的关系 为： n ：，。i 。f ! l2 ( 2 1 ) - = t a n ( 22 ，一 2 1 1 油管螺纹联接的强度计算 1 油管螺纹轴向力的计算 在轴向力f 作用下，油管螺纹联接的轴向力如图22 所示。定义左下端接箍与 油管的啮合处为坐标原点。由于螺纹锥度1 ：1 6 较小，所以油管( 外螺纹) 和接箍( 内 螺纹) 的截面积可以近似看作常数按圆柱型管螺纹来代替计算。 图22 油管螺纹轴向力示意图 以外螺纹为研究对象，将各螺纹牙上的力简化为集中力 则有： f = + f z 十= v ( 23 ) f = l 其中旷螺纹承担受力的有效牙数，f 一螺纹第”牙所受力。 在轴向力，力作用下，外螺纹在x 处垂直截面上的轴向力几r ) 表示为： f ( ，) = f 一【f 。+ f 十 f = r ( 24 ) 其中p 为螺距，f + 扛) 代表内螺纹在x 处垂直截面上的轴向力。 根据牛顿第三定律可知： f 。( x ) = f f ( x ) ( 25 ) 对f 忸 导数可得 g b ) ：a t _ ( x ) ( 26 ) 其中口( x ) 为单位螺纹旋合长度上的轴向力即轴向力分布强度，有： f = r q 扛k ( 27 ) 坐标为x 的横截面上的轴向力，f 柚，则表示为： f ( r ) = r q “皿 ( 28 ) 任意一个螺纹牙上所承受的轴向力厅为： f ，= r q ( x ) d x ( 29 ) 其中p 为螺纹的螺距。 根据上述公式的推导求出q 竹) ，即可求出在任意一个螺纹牙上所承受的轴向力。 2 油管螺纹牙侧面上的法向作用力 在油管螺纹联接后，设p 为作用在螺纹牙侧面上的单位法向作用力，当坐标x 增加了出的长度时它的轴向作用力的分量为出长度上轴向力的增量d f ( x ) ，于是 有： p ( x 皿4c o s ( d 2 ) = d f ( x ) = q ( x 皿 ( 21 0 其中幽表示出长度上螺纹侧牙的面积。 如果x 轴向所取的距离等于螺距p 那么螺纹侧牙的面积a 在横截面上的投影为 c o s ( p 2 ) t n 旧：斫y 4 郎： c o s ( p 2 ) t 耐! h 其中 一油管螺纹牙的高度： 卜油管螺纹的最大直径： d - 一为油管螺纹的最小直径。 由于t 与螺纹牙侧面积a 的比例关系，可得 d a c o s ( p ! ) ac o s ( b + 2 ) d r p 整理得： e ( x ) = q ( x b ( 啦 ) 2 1 l j ( 2 1 2 ) 2 l3 ) 2 】4 ) 2 1 2 油管螺纹的变形协调方程 凹23 螺纹受力变形而意图 如图2 3 所示，油管螺纹在轴向力的作用下，内螺纹产生拉应力6 ，外螺纹产生 拉伸变形6 。，变形量的下角标p 表示外螺纹，6 表示内螺纹。内外螺纹牙在法向力的 作用下t 所产生总变形量分别记为6 。和6 ，根据变形协调条件可知： x + 6 ，b ) + 6 ，( o ) + 6 。( o ) = ，+ 6 b ) + 6 。b ) + 6 。c r ) ( 21 5 ) 整理得 6 ，扛) 一6 。扛) = f 6 ，( x ) + 6 。( 硎一 6 。( o ) + 6 m ( o ) 】 ( 21 6 ) 由于内外螺纹本体的变形量与应力成正比关系t 坑和以可表达为： 蹦班r 三掣m 眩 s 问= r 岩出 娌 把内外螺纹牙的变量写成： 6 。( x ) = p o 扫x 。毛 ( 21 9 ) 5 ，扛) = p ( x ) p z ，e ， ( 22 0 ) 其中- 、内外螺纹材料的弹性模量： x 。、九无量纲系数 a - 、a i , 内外螺纹的横截面面积n 于是有： 岛一去 她苦粕h ( o ) ( 每一沙啦一， 娌： 令： l 1 ( e 。a 。) + 1 ( b = ( 22 2 ) p 二( h pe ，+ 。e a ( 耐! ) = t ( 22 3 ) 公式( 2 2 】) 可写成： r ，卜皿一苦= k m 眨2 4 ) 对式( 22 4 ) 求导得： 淋) 一面f = q ( 22 5 ) 令： 7 = ! ( 12 6 ) 对式( 22 5 ) 求导并代入式( 2 6 ) 可得轴向力分布强度油管螺纹的变形协调 方程： g “扛) 一f q ( x ) = 0 ( 22 7 ) 2 1 3 油管螺纹牙间轴向力的分布 根据式( 22 6 ) 与( 22 7 ) 的边界条件： t = 0f ( 0 ) = 0 g7 ( o ) = 一f ( y g a ) ( 22 8 ) t = lf ( ) = fg ( ) = r 啦a ) ( 2 2 9 ) 求解式( 22 7 ) ，得到油管螺纹轴向力的分布强度： q ( x ) =! 丛型+ ! 盥! 二划l ( 23 0 j e ，a ，e a j 同时求出当x = o 时，油管螺纹的轴向力分布强度： g ( o ) ：粤墼善掣丛型( 2 3 1 ) 一 5 ( 弘) ( e 4 e r a ) 坚她一孥 当，= 时，油管螺纹的轴向力分布强度： 刺= 篙壶甚鬻筹 2 训 经过对式( 23 0 ) 分析可知g “) 为双曲线余弦函数，并且矿扛) 0 所以函数 曲线呈中间凹，两边高的马鞍型曲线如图2 4 所示，这样的应力分布导致了螺纹的 各牙受力不均匀。 图24 油管螺纹轴向力分布示意图 根据式( 21 7 ) 可知由轴向力造成的螺纹牙侧面上的接触应力p 与q o ) 符台 线形关系，所以，接触应力m ) 为双曲余弦函数，函数曲线与g ( x ) 相近，为中间凹t 两边高的马鞍型曲线； 对式( 23 0 ) 求导并取其绝对值得： 阿啡面为0 掣一鼍掣0 川 通过式( 2 , 3 3 ) 可知，要想改善螺纹载荷分布不均匀的情况，则需要使q ( x 】尽量 减小，也就是使参数尽量减小。根据式( 22 6 ) 得： f + e 。a 。 耐，h 一，p 1 飘，一+ x e ，) ( 23 4 从上面的公式可以看出，要使尽量减小可以通过减小内外螺纹的接触截面积 即减小耐：h 来实现1 蛳。 22 油管螺纹仿生试验基础 自上世纪8 0 年代吉林大学任露泉院士提出仿生非光滑理论以来，仿生非光滑技 术得到了大力的发展为许多工程问题提供了新的解决方法。我们将仿生非光滑技术 运用到油管螺纹表面使之形成具有仿生非光滑特性的表面。凼此t 本节主要从仿生 非光滑的特性对油管螺纹抗粘性产生的影响进行分析，为油管螺纹仿生试验提供了理 15 论基础。 2 2 1 仿生表面的缓释效应对接触应力的影响 研宄表明，粘扣产生的主要原因是由局部高接触应力作用f 金属表面相对滑动造 成的。吉林大学的任露泉院士在仿生非光滑表面的研究中发现在摩擦试验过程中， 具有仿生非光滑凹坑结构试样的刚度要比光滑表面试样剐度明显降低。在施加相同的 作用下，具有仿生非光滑表面的试样所产生的应变能要大于光滑表面试样的应变能。 根据系统的能量守恒，系统应变能变大时用于摩擦损失的能量就会相应减少，同时 表现为试样工件表面强度的减小或者表面的应力缓释，从而使试样表面的磨损降低。 仿生非光滑表面的这种作用叫做非光滑结构的应力缓释效应。 5 l m ，i 、 j厅1、【 一一 _ 一l 上一 。d ( i 至：r t o 一64出 t ) 加载前( ) 加城后 图 缓释应力分析囤 下面我们对应力缓释效应的原理进行简单的解析。如图所示”】，选取仿生非 光滑表面的一个凹坑单元体的截面作为分析对象。通过加载力f 前后的对比图可以看 出凹坑在力的作用下发生了明显变形其直径增太，深度变渡凹坑的边缘到边界 的长度由d 变为d 显然晟小的接触面积面承受着较大应力。凹坑的顶端由m 降到了m 。在不具备仿生凹坑结构的模型上，施加相同的作用力时它的变形量 只由物体的材料强度决定。而在形成仿生凹坑结构后仿生单元的几何形状也会影响 模型的变形。仿生凹坑表面结构降低了物体表面刚性使得物体表面在外力作用下， 更容易发生形变，吸收能量缓解了接触应力。同时仿生凹坑结构能使外力产生分解， 使得方向也会也会受到外力的作用发生形变吸收能量同时增加接触面积，降低 了接触应力。 2 仿生表面对油管螺纹润滑性的影响 油管螺纹拧接时，螺纹表面得不到良好的润滑也是导致粘扣发生的原因之一。油 管螺纹的润滑主要是靠涂抹在螺纹上的螺纹腊。相比普通油管螺纹仿生螺纹表面所 具有的凹坑结构能储存较多的润滑脂，使表面得到更好的润滑。 在油管螺纹上扣过程中，园为螺纹之间所产生的挤压使润滑脂向边缘流动所以 摩擦界面出现了低应力区润滑良好高应力区缺少润滑或出现无润滑的摩擦现象如 图 ( a ) 所示：油管螺纹的粘扣现象一般发生在螺纹的前几扣或后几扣的高应力区， 1 说明高应力区排挤润滑脂使接触面缺少润滑或出现无润滑，而导致了粘扣现象的发 生。具有仿生表面的油管螺纹在受到挤压时会把润滑脂储存到仿生凹坑结构里( 圈 26 f b ) ) ，通过摩擦运动不断地释放出来，这样使得高应力区也能得到充分的润滑。由 此可见，在静止时在施加载荷的挤压作用时普通油管螺纹界面的润滑脂是向边缘扩 散泄露的，而对于仿生油管螺纹大部分润滑脂都能存储在仿生凹坑结构内部。 r m m 气l ， 油管 = j e j = = e ! = = = = = i j 二= = ! | 接箍 接赫 ( a ) 普通试件联接局部图( b ) 仿生试件联接局部图 图26 静止状态下润滑脂挤压扩散示意图 如图2 7 所示，在油管螺纹的拧接运动过程中普通油管螺纹的润滑脂只依赖螺 纹前部分的导入作用，螺纹拧接过程中润滑脂在高应力区容易挤压排除而出现后续 无法润滑的情况。而仿生油管螺纹每个仿生凹坑结构都可毗作为供油点为高应力区 摩擦供油并且前面挤出的润滑脂还可以被后面的仿生凹坑所吸纳储存。 竺- o “ m 厂1 。， - “” nnn ! ! n ( a ) 普通试件联接局部图( b ) 仿生试件联接局部图 图27 运动状态下润滑脂分布示意图 通过仿生油管螺纹与普通油管螺纹的润滑理论对比，在初始状态下仿生油管螺纹 的表面比普通的油管螺纹能“存储”更多的润滑脂并且能在摩擦过程中释放出来 说明了仿生油管螺纹具有优良的储油润滑特性。 2 2 3 激光加工对油管螺纹表面的改性 仿生非光滑表面的实现方法之一是激光微造型技术。激光加工具有效率高、精度 高、应变小等特点，并且激光在加工的同时也对加工表面产生j 改性作用。激光表面 改性主要分为激光相变硬化、激光熔凝和激光熔覆等。高能量的激光束射到加工表面 上，使金属快速气化，去除了村料，加工出参数尺寸