（机械电子工程专业论文）特殊扣石油管螺纹工作性能分析及对比研究.pdf

中文摘要 论文题目：特殊扣石油管螺纹工作性能分析及对比研究 专业：机械电予工程 硕士生：姜彦( 签名) 指导教师：许爱荣( 签名) 摘要 石油管螺纹的型式直接关系到石油管的使用寿命，不同型式的螺纹连接在工作情况 下的力学性能、连接性能及密封性能不周，各种螺纹工作时由于连接螺纹应力集中的影 响以及交变应力的作用，在使用过程中螺纹失效事故时有发生，因此提高螺纹连接使用 寿命的技术长期以来倍受关注。本文从石油管连接螺纹失效原因分析入手，针对国内目 前经常使用的a p i 圆螺纹和3 s b 、f o x 和v a m 三种特殊的石油管螺纹扣型的工作性能 进行了分析研究。 利用大型a n s y s 有限元软件包，采用弹塑性有限元分析方法，分别建立了a p i 圆 螺纹和三种特殊扣石油管螺纹在机紧连接、单向载荷和循环载荷作用工况下的弹塑性有 限元计算模型，对4 种扣型油管螺纹接头的油管螺纹部分和螺纹所对应管体内壁处的应 力及应变变化规律、螺纹的接触应力等进行了计算分析，根据计算结果对4 种螺纹的力 学性能、抗粘扣性能和密封性能进行分析和对比研究。 研究表明：a p i 圆螺纹在尾部第一啮合齿产生了高应力、应变集中，导致螺纹常在 此部位发生断裂失效，与a p i 圆螺纹相比，3 种特殊扣型螺纹接头的应力应变有一定集 中且发生在螺纹接头端面，提高了螺纹的力学性能和连接性能。a p i 圆螺纹由于在螺纹 两端接触压力很大，因此螺纹粘扣容易在两端发生，而三种特殊扣石油管螺纹，相比 a p i 圆螺纹的接触压力要小的多，其抗粘扣能力大大好于a p i 圆螺纹。与a p i 圆螺纹相 比，三种特殊扣螺纹由于设计有密封面和端面密封的密封结构而具有很好的密封效果。 不同扣型螺纹的弹塑性有限元分析表明，上扣扭矩对螺纹工作性能产生很大影响， 因此应严格控审4 上扣扭矩，以避免过扭矩和欠扭矩上扣对螺纹工作性能造成影响。 关键词：石油管特殊扣有限元法工作性能对比分析 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： l n s t r u c f o r ： o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i sf o rs p e c i a ln i p p l ej o i n to f o i l t u b e m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g j i a n gy a n ( s i g n a t u r e ) x ua i r o n g ( s i g n a t u r e a b s t r a c t t h eo i lt u b et h r e a dp a t t e r n sa f f e c tt h es e ra c el i f eo fo i it u b ed i r e c t l y t h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，t h ec o n n e c t i o np e r f o r m a n c ea n dt h es e a l i n gp r o p e r t yo ft h ed i f f e r e n tp a t t e r n t h r e a dj o i n t sa r ed i f f e r e n ti nw o r k i n gc o n d i t i o n b e c a u s eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dt h e a l t e r n a t i v es t r e s s ，t h ef a i l u r eo ft h r e a do fo i lt u b ei l a p p e n sf r e q u e n t l y f o ral o n gt i m et h e t e c h n i q u eo fr a i s i n gt h et h r e a ds e r v i c el i f eo fo i lt u b eh a sb e e nb e i n gp a i dm o r ea t t e n t i o nt o t h i sp a p e rs t a r t i n gf r o mt h r e a df a i l u r ea n a l y s i so fo i lt u b e , t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e so f t h r e es p e c i a ln i p p l ej o i n t so fo i lt u b e ，i e ，3 s b ，f o xa n dv a mw h i c ha r eo f t e nu s e da t p r e s e n ta n d t h ea p ir o u n dt h r e a da r es t u d i e d w i t ht h el a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o a r ep a c k a g ea n s y s ，b yt h ee l a s t i c - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so fa p ir o u n dt h r e a da n dt h r e ek i n do f s p e c i a ln i p p l et h r e a d so fo i lt u b ea r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l y a n dt h es t r e s s ，s t r a i na n dc o n t a c t p r e s so f4p a t t e r n st h r e a d e dj o i n t so fo i lt u b ea l ec o m p u t e r i z e da n da n a l y z e du n d e rt h e c o n d i t i o no fm a c h i n et i g h tc o n n e c t i o n , u n i d i r e c t i o n a ll o a da n dc i r c u l a t i o nl o a d a l s o , t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , t h ea n t i - g a l l i n gp r o p e r t ya n ds e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ej o i n t sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h eh i g hs t r e s so rs t r a i nc o n c e n t r a t i o no c d 3 u r sa tt h ef i r s te n g a g e dt o o t ho fr e a rp a r to f a p ir o u n dt h r e a d ，s ot h ef r a c t u r ef a i l u r eo f t e nt a k e sp l a c et h e r e t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no f t h es p e c i a ln i p p l ej o i n t si ss m a l l e rt h a nt h a to fa p it h r e a da n dt h el o c a t i o no fi ti sa tt h ee n d s o ft h es p e c i a ln i p p l ej o i n t s ，t h e r e f o r e ，t h em e c h a n i c a la n da n t i g a l l i n gp e r f o r m a n c eo ft h e s p e c i a ln i p p l ej o i n t si se n h a n c e d s i n c et h ec o n t a c tp r e s so fa p ir o u n dt h r e a di sg r e a ta tt h e t w oe n d so ft h r e a ds og a l l i n go o e u r se a s i l yt h e r e ，w h e r e a st h ea n t i g a l l i n ga b i l i t i e so ft h e s p e c i a ln i p p l et h r e a d sa r em u c hb e t t e r w i mt h es e a l i n gs u r f a c ed e s i g ns t r u c t u r ea n df a c i n g s e a l i n g ，3s p e c i a ln i p p l et h r e a d ss e a lw e l li ns e r v i c e s m a k e - u pt o r q u eh a st h ev e r yt r e m e n d o u si n f l u e n c eo nt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo f t h r e a dj o i n t sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s ot h em a k e - u pt o r q u es h o u l d b ec o n t r o l l e ds t r i c t l y k e yw o r d s ： o i l t u b e ，s p e c i a ln i p p l ej o i n t , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，o p e r a t i n g p e r f o r m a n c e s ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i s 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：? 比7 f r 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校玫读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：茗隽 导师签名： 日期：口”7 ，r f j 同期：趔z 占， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究石油管螺纹的目的、意义 1 1 1 选题目的 a p i 曾对石油管柱的失效进行调查，结果表明石油管柱失效与a p i 标准螺纹有密切 的关系。套管柱失效的8 6 、油管柱失效的5 5 出现在接头处、每起失效事故平均操 作损失l o 万美元1 1 0 1 。胜利油田某采油厂正在进行下放油管修井作业时，现场操作人员 发现油管负荷发生较大变化，随即上提油管进行检查，发现油管和接箍间的连接螺纹脱 扣失效，最终导致下部2 6 0 根油管掉入井中；2 0 0 3 年5 月某采油厂一口油井发生油管 泄漏，在停井进行作业时，因第1 9 根油管螺纹连接失效发生脱扣，导致余下1 4 3 根油 管掉入井中，造成重大经济损失。该油管为新管，使用时间仅4 6 天，产品钢级为j 5 5 、 规格为中7 3 x5 5 1m m 1 】；从中原油田采油一厂2 0 0 1 2 0 0 3 年抽油井作业措施统计中， 可以得出规律性的结沦：由于油管失效造成的作业井次占总作业井次比例的平均值为 2 3 ，且逐年呈上升趋势，既影响原油生产又需每年花费上千万元的作业费用川；2 0 0 4 年3 月中原采油4 厂购进n 8 0 油管1 3 0 吨，主要用在4 口高压分注井 2 1 ，经技术监督部 门鉴定产品质量符合a p i 标准，但是，现场施工中出现油管螺纹上扣不到位、余扣太多 的现象，迫使停止施工，并将下入井内的油管全部起出，发现有3 4 2 的油管螺纹粘扣； s h e l l 公司采用a p i 偏梯形螺纹油管，约有2 0 失效在螺纹连接处；此外调查还发现大 港、华北、中原油田井口压力2 5 m p a 以上的气井i ”i ，大多数井口漏气，已经证实a p i 接头不能保证高压的密封要求。 因此，a p i 标准螺纹接头不能适用在苛刻条件下的使用，主要是与其结构、螺纹的 轮廓有关的密封强度问题，这极大的推进了特殊螺纹接头的开发和研究。 目前随着井下工况的复杂化，特殊的石油管螺纹得到了大量的应用，为了更好的适 应当前的情况，我们需要对特殊管螺纹进行定量的分析，准确地得到在复杂应力状态下 的螺纹接触应力。螺纹接触应力的研究包括试验测定法、解析法和数值计算法。实验研 究虽能够较真实地模拟井下受力情况，但不能准确真实地模拟在不同工况下，尤其是在 井下恶劣的工作情况下我们所关心螺纹部位在井下复杂的应力应变场下密封能力和连 接强度。因此需要对特殊扣石油管螺纹进行有效的分析从而解决现实中所遇到的问题。 1 1 2 选题的意义 在当前随着深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、定向井等的开采，定向井、 水平井等钻井技术和注水、注气等采油技术的推广应用，对石油管提出了越来越苛刻的 西安石油大学硕士学位论文 技术要求。以往大量使用的a p i 圆螺纹和偏梯形螺纹接头在气密封性、连接强度和耐腐 蚀性方面都不能够满足开采环境条件恶劣的油气井的需求。迫使人们去研究开发性能更 加可靠的特殊螺纹接头。为此国内外石油工程界和学术界高度重视石油管螺纹方面的相 关研究，以期提离石油管设计的科学性、安全性，从根本上解决石油管损坏闯题。有限 元方法作为一种高效率的结构强度分析工具，在工程界得到了普遍的使用。利用有限元 方法分析石油管在各种工况条件下的力学行为，可以为特殊石油管的设计和安全使用提 供科学详细的论据。本课题的研究结果将对国内外利用特殊石油管采油的各油田具有实 际的参考和借鉴作用，同时也将对涉及到的一些理论课题达到更深的理解和认识，具有 一定的学术上的意义。 1 2 国内外现状 井下石油管柱是石油钻采作业中必不可少的部分，其质量直接影响到油气井的使用 寿命。螺纹连接部分是油管柱中最薄弱的环节，油管失效事故大多数发生在螺纹连接部， 只有极少部分发生在油管本体。所以，提高油管螺纹的连接质量是确保石油管质量的最 关键的因素。目前国内深井和超深并数量日益增多，特殊石油管螺纹连接的使用量逐渐 增大。然而在油田的现实应用中油管断裂、油管漏失和油管脱扣等事故时有发生，给油 田带来了巨大的经济损失，如何提高螺纹连接的力学性能已成为石油管生产商急需解决 的课题。但是，目前对管螺纹连接的力学性能的研究报道很少，特别是对特殊石油管螺 纹的研究现在还很不成熟。因此石油管螺纹连接的研究已成为国内外不少学者关注的热 点。螺纹接触应力的研究包括试验测定法、解析法和数值计算法。实验研究虽能够较真 实地模拟并下受力情况，但不能准确真实地模拟在不同工况下，尤其是在井下恶劣的工 作情况下，我们所关心螺纹部位在井下复杂的应力应变场下密封能力和连接强度。e t s u r u , m u e n o ，m o g a s a w a r a 用实验测试了不同结构形式螺纹在轴力、内压下的密封 能力和强度；石油管材研究所对各种接头螺纹也做了不少试验，得到了很多有价值的结 论。但是对特殊螺纹还没有成熟的理论。因此我们需要对特殊扣石油管螺纹进行有效的 分析，解决现实中所遇到的问题阻臻矧。 s o p w i t h 在1 9 4 8 年首先提出螺纹连接载荷分布的解析方法，考虑了螺母径向膨胀的 影响，得到了普遍接受。s t o e c h y 和m a c k e 修正了s o p w i t h 理论以便处理锥形螺纹。阎 铁、范森和石德勤建立了基于挠性件摩擦理论的理论模型【2 7 2 q 。张炎、陈平、施太和 建立了螺纹轴向载荷分布规律的弹簧模型阱1 。 有限元方法是结构分析的一种有效的数值研究方法。它在5 0 年代初期随着计算机 的发展应运而生，并得到了广泛的应用。这一方法的理论基础牢靠，物理概念清晰，解 题效率高，实用性强，目前已经成为机械产品动、静、热、连接等特性的重要手段，它 是机械产品计算机辅助设计常用方法库中不可缺少的内容之一圈。 2 第一章绪论 在机械产品的设计中，经常有两类问题需要解决：一种是强度问题，例如在本课题 中的连接强度问题、疲劳强度、接触强度问题的计算。另一类问题是刚度问题例如在螺 纹的加工过程中，螺纹由于切削力的作用而产生变形，不能满足加工精度的要求，和材 料刚度的要求，因此在使用过程中导致油管的断裂。而传统的方法一定要经过试制成样 品，然后进行各种性能试验，才能对产品有所了解，对薄弱环节提出改进方案，因此就 会导致设计、制造的周期长成本高，同时在另一方面在会对用户造成不必要的损失。近 二十年来随着计算机的应用，在设计领域中进行者一场深刻的变革；而有限元方法为在 设计阶段和使用阶段掌握产品的性能提供了强有力的工具和理论依据。 有限元是数值计算中的一种离散化的方法，用数学术语来说，就是从变分原理出发， 通过分区插值，把二次泛函( 能量积分) 的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求 解。我们大家都知道直接从个微分方程来推导出它的泛函，常常是很复杂的，有时甚 至是不可能的，所以在求泛函时，常借助所研究问题的物理特性。如本课题中螺纹连接 问题属于大变形的弹性问题因此弹性力学中的最小位能原理提供了极大的方便，从物理 或几何的概念来说，有限元的方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学 和弹性力学等领域中的发展和应用，其基本思想是将弹性连续体分成有限小的单元体， 他们在有限个节点上相互连接对每个单元用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连 续弹性体的力学特性，可以认为是这些小单元体力学特性的总合，从而建立起连续体的 力的平衡关系m j 。 各种研究方法都具有其相应的优缺点。试验测定法得到的结果可靠、准确，但是需 要大量的人力、物力和花费大量的时间，是一种不经济的研究方法。解析法能够对螺纹 连接强度作定性的解释，但因它需要对模型作较多的假设，不能较真实地模拟螺纹连接 真实的受力情况。有限元法是一种有效的工程数值计算方法，螺纹连接是一种典型的接 触问题，因此，采用弹塑性接触有限元方法来研究石油管螺纹的力学性能、连接性能、 疲劳特性和它们相应的改进评价问题【2 9 】。 1 3 本课题主要研究内容 本课题主要对3 s b 、f o x 、v a m 三种特殊扣型和a p i 标准螺纹的工作性能进行分 析。通过研究分析，摘清石油管螺纹在复杂条件下的工作性能，对特殊扣型石油管螺纹 提出改进建议，为石油管螺纹的选择和设计提供理论参考和依据。主要研究内容如下： 1 石油管螺纹在井下工作工况的分析。包括所受载荷、环境的分析及由此对螺纹 工作性能所提出的要求。 2a p i 标准螺纹工作性能的分析。包括对a p i 标准的常规管螺纹在井下复杂工况 的力学性能( 如应力、应变、形貌) 、连接性能( 通过遇到的实际问题如石油管螺纹的 断裂、滑脱) 、密封性能( 如螺纹漏失及螺纹刺坏) 、疲劳特性等的分析。 西安石油大学硕士学位论文 3 特殊石油管螺纹工作性能的分析。主要针对3 s b 、f o x 、v a m 三种扣墅，分析 其在井下复杂工况条件下石油管螺纹的力学性能、连接性能、密封性能、疲劳特性。 4 三种特殊扣螺纹的工作性能与a p i 标准螺纹的工作性能的对比分析，给出各特 殊扣螺纹工作性能的比较分析评价，在对比分析的基础上，对改善特殊扣型石油管螺纹 的工作性能提出建议。 1 4 创新点 1多种载荷工况下a p i 标准石油管螺纹和3 s b 、f o x 、v a m 三种特殊扣螺纹的工作 性能分析。 2a p i 标准螺纹和3 s b 、f o x 、v a i 三种特殊扣螺纹力学性能、抗粘扣性能、密封 性能等工作特性的弹塑性有限元对比分析。 4 第二章石油管螺纹的失效原因分析 第二章石油管螺纹的失效原因分析 石油管柱在井下工作的过程中承受复杂的载荷，从而引起石油管组件的失效。根 据完成的有关石油管组件失效的统计( 见图2 1 ) 表明：在整个石油管组件中，石油管螺 纹接头处失效占有5 5 ，而其它部位占整个组件的4 5 。可以得出下列结论：如果采用 合理的方法有效预防石油管螺纹的失效，将大量减少石油管的失效事故的发生。因此， 对石油管螺纹接头失效的原因进行研究，才能为石油管螺纹接头的改进提供必要的依 据。 2 1 失效类型 在石油管螺纹失效中，由于失效种类繁多，大体分为下面几种类型：( 1 ) 油管螺纹 断裂；( 2 ) 刺扣和密封失效；( 3 ) 粘扣和涨扣：( 4 ) 滑脱和倒扣；( 5 ) 台肩和螺纹表面擦伤； ( 6 ) 疲劳破坏；( 7 ) 屈曲。对石油管螺纹失效类型的研究表明：在这些失效类型中，疲劳 和脆断两种形式所占比例最大，达8 0 以上。由此，可得出下面结论：有效预防石油管 螺纹失效的关键在于预防连接螺纹的疲劳和脆断上。当然，对其它形式的失效方式也有 必要进行详细的研究，这样才能更全面、更合理地改善连接螺纹的应力状态和提出合理 的预防。 2 1 1 油管螺纹断裂 井下油管柱由接箍把一根根油管连接而成，其作用是把地下储集层的油气输送到地 图2 - 1a p i 油管断裂围2 _ 2a p i 油管断口 面输油管网。通过对油田现场调研得知，a p i 螺纹油管的位置大部分是在油管柱的中上 部。破断油管的断裂位置均在油管的公扣尾部与接箍旋合的第一扣处，见图2 - 1 ，图2 - 2 。 油管在上扣时，需一定的上扣扭矩才能与接箍达到合理的旋合位置。我们对j 5 5 ， 7 3 5 5 1 m m 的普通油管【1 2 1 ”，在a p i 规定的扭矩下上扣后，在油管螺纹的小端附近区 西安石油大学硕士学位论文 域受力最大，齿面产生较大的塑性变形，齿根处沿整个壁厚范围内已发生全面屈服；其 大端受力次之，其齿面也产生了较大的塑性变形，在与接箍结合的第一扣处的螺纹根部 表面产生一定屈服；油管螺纹的中部受力较小，其齿根处仍处于弹性状态，油管柱下到 井孛工作后，受拉一拉交变载萄作用，在油管螺纹大端与接箍结合的第一扣的齿根处， 所受的轴向拉力最大，其成为危险截面。而油管在实际上扣时，往往是过扭矩上扣，油 管螺纹的受力进步加大，使危险截面的齿根处产生更大的变形，造成严重缺陷。再加 上油管在下井后往往要受到附加弯矩的作用，相应的齿根处的应力水平增高，从而使危 险截面受拉面的齿根处产生裂纹。在交变应力的作少下，裂纹扩展，直至最后断裂。 z 1 2 刺扣和密封失效 由于油管螺纹密封不严，在螺纹段的一侧，高速高压的原油沿着油管轴线冲刷螺纹， 将部分螺纹齿冲刷掉并冲出几条沟槽( 如图2 3 所示) ，严重者将油管内壁也冲刺透。分 析其原因为，油管或接箍螺纹的几何尺寸超差；油管和接箍连接时，润滑脂加注不均匀， 甚至不加润滑脂，使油管和接箍螺纹的密合性不好。油管在抽油过程中由于其内部压力 高于管外套压，造成原油沿泄漏处对螺纹进行冲刷，导致油管螺纹刺坏。而扭矩台肩完 好无损，导致了密封失效。针对油管螺纹刺坏问题，现场己采取了一些措施，如采用液 压管钳代替手工上扣以加大上扣扭矩等措施。这些措施能在一定程度上缓解油管螺纹刺 坏问题。但如前所述，上扣扭矩过大，将使油管螺纹危险截面的齿根处的塑性变形加大， 造成不良后果。因此，应合理控制上扣扭矩，使油管在合适的状态下正常工作 图2 - 3 油管螺纹刺坏 2 1 3 粘扣和涨扣 图2 - 4 油管螺纹粘扣 粘扣现象，从产生的机理、成因上来讲，是内外螺纹的齿面在啮合过程中，两个摩 擦界面上由于局部接触应力过大，超过材料的弹性极限而发生屈服变形后，在金属表面 6 第二章石油管螺纹的失效原因分析 发生撕裂、辗轧、犁划、冷焊、嵌入等现象，表现为机械磨损或粘合磨损，造成螺纹损 坏、变形，甚至可将螺纹“撸平”，使螺纹的连接强度下降，密封性能变差，严重影响 油井管的使用，或使下入井中的管柱失效而造成油气井报废，给油田造成损失。如图 2 - 4 所示。同时上紧扭矩过高或井下产生过高扭矩时，将产生较高的轴向压力，强制公 扣进入母扣，形成螺纹的胀扣失效 2 6 1 。 2 1 4 滑脱和倒扣 当螺纹锥度较大时，上紧圈数未达到适当圈数而扭矩就已达到推荐值。此时在承受 轴向拉力作用下，易发生脱扣，当螺纹间隙充填物不合理时也有这种可能性。管丝扣腐 蚀老化严重，再在拉伸压缩交变应力作用下易造成滑扣。另外较小的上紧扭矩，使螺纹 不能承担施加的轴向载荷和井下扭矩，从而造成倒扣失效，有可能造成部分管柱掉入井 内。 2 1 5 台肩和螺纹表面擦伤 螺纹和台肩表面留有伤痕或未清洗干净，润滑油中含有杂质，都容易造成螺纹或台 肩擦伤。当发生刺扣时，尤其是母线刺时，螺纹和台肩面都被擦伤或刺坏。从而，引起 其它形式的破坏，如密封失效等。 2 1 6 疲劳破坏 目前石油管柱疲劳破坏的主要原因是由于在抽油过程中，油管主要承受如下载荷： 油管重量、井液浮力、液柱作用力、柱塞与衬套之间的摩擦力、抽油杆与油管之问的摩 擦力、液柱与油管之间的摩擦力和液面冲击力。其中，油管重量和井液浮力为静载荷， 油管重量是沿油管轴线向下作用的恒力，井液浮力是给油管轴线向上作用的相对稳定的 恒力。其余载荷均为动载荷。在抽油上冲程时，液柱不能作用在油管上，在下冲程时， 液柱重量才作用在油管上，方向向下。柱塞与衬套之间的摩擦力和抽油杆与油管之间的 摩擦力，在上冲程时作用方向向下，在下冲程时作用力一向向上。液柱与油管之间的摩 擦力在上冲程时力方向向上，在下冲程时消失。在供液不足的油井中，下冲程时，由于 泵充满程度差而出现柱塞与液面的撞击，产生向下作用在油管端部的液面冲击力。在上 冲程时，液面冲击力消失。由此可以看出，油管承受的载荷在方向和大小均具有交变的 特点。在这种交变应力作用下，在油管螺纹大端与接箍结合的第一扣韵齿根处，所受的 轴向拉力最大，使其成为危险截面。而油管在实际上扣时，往往是过扭矩上扣，使油管 螺纹的受力进一步恶化，危险截面的齿根处产生更大的屈服，甚至造成裂纹缺陷。油管 在下井后往往要受到附加弯矩的作用，齿根处又为应力集中部位，从而使危险截面的齿 根处受拉的一面产生裂纹。在交变应力的作用下裂纹扩展直至最后断裂。 西安石油大学硕士学位论文 2 1 7 屈曲 由于抽油管柱细长，在垂直或接近垂直的井眼内，由于受到交变载荷的影响，( 抽 油杆在上冲程的时候对抽油管柱有压力、在下冲程的时候对其有拉力) 当压缩载荷高于 临界届曲载荷时，就会引起石油管柱或接头的屈曲变形。 2 2 失效原因 石油管在井下承受的载荷十分复杂，它们几乎都属于随机动载荷，而且，石油管所 处的环境也非常恶劣，地层中含有许多化学成分( c 0 2 、册，) ，随着井眼的加深，井下 温度也在不断的变化。在井队，不同的操作者对石油管上扣扭矩有不同的认识和不同的 操作方法；对石油管的管理和维修方法，不同的油田有不同的制度。因此，影响石油管 螺纹连接失效的因素是多方面的。 2 2 1 上卸扣扭矩不当 自从9 0 年代初，使用油管液压钳对提高作业效率、减轻工人劳动强度确实起到了 一定的作用，而且行业标准s y t 5 0 7 4 - 9 1 对石油修井用动力管钳各项指标进行了严格 限制，但由于油管钳本身结构和操作上的缺陷，使粘螺纹失效事故的发生更加突出。 1 ) 上螺纹速度的影响：规范的操作应为用高速档将油管预拧至手紧位置，然后换低 速档将油管上紧至规定扭矩。但有时现场操作工人为提高下油管速度，直接用高速档上 紧。速度高达9 0 r m i n ，远超过a p ir p5 c 1 和g b t 1 7 7 4 5 1 9 9 9 1 ； j ；”推荐的上螺纹速度 2 5 r m i n ，致使螺纹的啮合状态恶化。内外螺纹在旋合过程中产生大量热量。短时间内 难以散发，从而使啮合面温度急剧升高，致使材料强度降低，最终导致粘螺纹。 2 ) 过扭矩的影响：引起液压钳过扭矩操作因素是多方面的，首先现场使用动力源不 同，油泵排量和输出压力明显不同，使液压钳在实际操作中扭矩难以控制，易造成过扭 矩现象；其次，国产液压钳上安装压力表满量程为2 5 棚p a ，刻度划分太粗，有时压力 表指针开始启动就达到甚至超过油管的初始上螺纹扭矩，稍有不慎就会造成过扭矩现 象，这显然在实际操作中不十分合理。 3 ) 夹紧力的影响：液压动力钳利用背钳夹紧接箍，实现上下螺纹作业。钳口夹紧力 较大，易造成接箍变形，同时上螺纹过程中由于外夹紧力的约束，使接箍很难外胀弹性 变形，导致上螺纹至规定扭矩时外露螺纹较多，必须施加更大扭矩才能使螺纹旋合到位， 所以齿面接触应力远超过规定扭矩的应力状态，容易导致油管粘螺纹现象的发生。 4 ) 对中性的影响：液压钳的悬吊点通常距井口约1 5 m 以上，在自由悬吊状态下钳 头中心距井口约0 5 m ，这就意味着油管垂吊距井口最大偏斜0 5 m ”。在起下油管的操 作中，出现斜拉操作的现象，易引起错螺纹。一旦发生错螺纹，因液压钳扭矩过大时也 8 第二章石油管螺纹的失效原因分析 不易发觉。 2 2 2 螺纹脂使用不当 螺纹的密封性主要依靠密封脂填补公母螺纹之间间隙来获得。螺纹密封脂的存在改 变了螺纹的接触表面状态，改善了上螺纹过程中螺纹接触面应力状态，能够有效地防止 螺纹的粘结。可是，在油田现场修井作业过程中有时出现不涂抹螺纹脂的情况，即内外 螺纹在啮合中处于干摩擦状态，必然导致螺纹旋合时摩擦系数增大，要达到无外露螺纹 必须施加更大扭矩。而螺纹在上螺纹过程中的齿面接触压力直接受到上螺纹扭矩的影 响，上螺纹扭矩愈大，齿面接触压力愈高，螺纹粘螺纹的倾向愈大鲫 2 2 3 使用不当和检修不及时 目前在我国各油田，石油管的使用、维修、储存、运输和检验工作没有有机地联系 在一起，缺乏一个科学的管理系统。在油田作业现场，如果操作不仔细，对石油管不加 保护，那么石油管在上下钻台、上卸扣和上架时，就会同坡道和管子架等金属相碰撞， 留下伤痕。在运输过程中不戴护丝，台肩和螺纹会因撞击而产生创伤。在个别油田的维 修单位，由于条件所限，石油管未加清洗而长期露天堆放，风吹雨淋，很容易使石油管 表面保护油失去作用，使石油管与空气直接接触，发生腐蚀。石油管接头带有伤痕后， 容易使螺纹或台肩擦伤，造成过度磨损。受伤的表面在过高的压力作用下，容易发生粘 扣破坏。由于台肩有伤痕，作为石油管接头唯一的密封处得不到密封，高泵压下会产生 刺扣破坏。此外，留有伤痕也使疲劳强度下降，易产生应力集中，导致过早疲劳破坏。 2 2 4 修理制造方面的问题 目前国内油田所使用的石油管损伤后基本上是自行修复。由于石油管的薄弱环节在 接头处，这样接头损坏后，石油管本体尚可恢复使用，所以可将石油管两端已损坏的联 接部位加以切削处理。为了使石油管接头有较高的疲劳强度，其公母接头应该具有一个 相匹配的抗弯强度，也应该使用标准的扣型，否则可能在公母接头的根部出现过早的疲 劳破坏。有的油田在修扣时对扣型不够重视，使得修复一些扣时不符合a p i 标准。容易 产生疲劳破坏。有时为了保证丝扣的尺寸精度，而忽略了它的表面粗糙度。这就使得钻 井作业人员无法准确地把握上紧扭矩，引起许多不良后果。 2 2 5 交变应力的影响 在抽油上冲程时，液柱不作用在油管上，在下冲程时，液柱重量才作用在油管上， 方向向下。柱塞与衬套之间的摩擦力和抽油杆与油管之间的摩擦力，在上冲程时作用方 向向下，在下冲程时作用力方向向上。液柱与油管之间的摩擦力在上冲程时力方向向上， 9 西安石油大学硕士学位论文 在下冲程时消失。在供液不足的油井中，下冲程时，由于泵充满程度差而出现柱塞与液 面的撞击，产生向下作用在油管端部的液面冲击力。在上冲程时，液面冲击力消失。由 此可以看出，油管承受的载荷在方向和大小上均具有交变的特点。 由于抽油过程中，油管承受动载荷，造成油管可能发生振动。油管在井中振动时， 受到一定的阻尼作用，将发生有阻尼振动。其振动的力学模型可以简化成上端固定，下 端自由的细棒的纵向振动。 通过对抽油机井油管的受力分析可知，油管在工作过程中所受的应力具有交变的特 点。油管在工作过程中始终处于振动状态，一次强迫振动之后，随之是衰减，然后周而 复始，与抽油杆振动同步。这样，进步明确了油管在工作状态下承受轴向拉一拉交变 载荷( 应力) 作用。断裂部位全部在应力集中的齿根处。 2 2 6 地层因素 地层因数是不可控因素。复杂的地层将引起石油管的激烈振动，如前面分析，石油 管剧烈振动将会导致石油管螺纹的母线刺、螺旋刺以及粘扣破坏等。 第三章石油管螺纹工作特性的有限元分析基础 第三章石油管螺纹工作特性的有限元分析基础 3 1 石油管螺纹应力有限元分析的力学原理 石油管是具有中心轴对称的物体，同时由于螺纹接头所承受的机紧过盈和轴向拉伸 等载荷都是轴对称的，而且接头螺纹升角小于2 。，所以建立螺纹接头轴对称的有限元 模型，计算结果完全能够满足工程需要。 采用圆柱坐标，以对称轴为z 轴，任一对称面为r z 面。考虑到连接螺纹处的几何形 状复杂，在满足计算精度的前提下，为了减少节点和单元的数目，达到提高计算速度的 目的，采用了三角形和四边形相结合的混合单元。如图( 3 1 ) 所示，在轴对称问题中只有 径向位移轴向位移m ，它们仅与坐标r ，z 有关，而与口无关，因此，只考察坐标平面r z 上的截面部分。所以轴对称问题的有限单元法与平面问题基本一致。 3 1 1 三角形单元 如图( 3 2 ) 所示，轴对称的三角形截面的整圆环，它是由r z 面的三角形咖，环绕对 称轴z 回转一周而得到的。相邻的单元在其棱边互相连接，单元的棱边都是圆，故有接 圆之称。每个接圆将在忍面的交点就是节点。各个单元将在陀面形成三角形网格 2 0 1 ， u m 图3 1 轴对称物体图3 _ 2 三角形环单元 就象平面问题中各三角形单元在夥平面上形成的网格一样。基本未知量仍取节点位移， 单元位移列阵表示为 p r = ，醪，5 ：】= k ，c o l ，_ ，q ，1 r ( 3 - 1 ) 仿照平面问题，取线形位移模式 单元砖豹位移为 西安石油大学硕士学位论文 “= 口l + a 2 r + 口； 。0 4 + 口5 r + a 6 z h = n t u | 七n | u i + n m u t c o = n i | 七n | l n 扣 n j = b i + b ，r + c , r ) 2 a，j ，m 1 a = = 眨 = = 8昝一以一。) 由( 3 2 ) 式和几何方程，得到单元体内的应变，即 叠 = 陋r = k ，毋，圯帖r 式中 瞳1 = 去 1 2 ( f ， m ，) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( j ，m ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( i ，工胂，) ( 3 - 9 ) 1，j 刁乃 0 o z 一 一 。、 0 = | l 乃纠 o o q 以 以z o q 竺， +6+ q r ， 第三章石油管螺纹工作特性的有限元分析基础 由此可见，单元中的应变分量，e ；、y 。都是常量：但是环向正应变岛不是常 量，它与z 、，、厂_ 中的r 有关。 单元的应力分量可表示为 其中 矗，= 仨! = p 佟，= p 。p r = p 妊，= b ，墨，& b r c s 一- 。， p 】= 2 _ a t + 一。z4 q 4 以+ z4 c ， 4 ( 岛+ z )q 4 q以6 ， o ，j ，m ，) ( 3 - 1 1 ) 【d 1 为弹性矩阵，它取决于材料的弹性模量e 和泊松比。 4 = 南4 = 三1 而- 2 1 a 鸽= 而( 而1 - u ) e ( 3 - 1 2 3 1 2 单元刚度矩阵 在轴对称情况下，单元的虚功方程为 昭y ) r 泔= 脾 r i t r d r d t z ( 3 - 1 3 ) 上式等号左边为单元等效节点力伍j 所作的虚功，与平面问题不同之处在于所述的 节点力是指整个节圆上的力，等式右边是指整个三角形单元中应力的虚功。 假设单元的虚位移为 则单元的虚位移为 扩) = 【怙7 备) = 陋玲 ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 西安石油大学硕士学位论文 将上式代入( 3 一1 3 ) ，并注意到 d o = 2 ，r 则得 眙p ，f r r ：帖r ) r 2 丌j 肛n p p 胁秘r ( 3 - 1 8 ) 由于虚位移是任意的，所以有 = 2 石脾r 【d p 胁p p 上式右边与单元位移点阵p r 榴乘的矩阵便是单元剐度矩阵 k 】= 2 ，r 肛n d p h 地 它也可以写成如下分块形式， ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 如果弹性体被划分为n 。个单元和月个节点，于是就可得到月。个形如( 3 一1 8 ) 式的方程 组，把各个单元的$ r 、俅) 、医】等都扩大到整个结构的自由度和维数，然后叠加得 到 喜钟= 倭2 石肘怫叫爷 m 例 引入记号载荷列阵 整体刚度矩阵 网：壹 ( 3 - 2 0 ) 吲= 妻僻i = 委z 丌肛】，【d p 蛔也 ( s z ) 于是( 3 一1 9 ) 式便可以写成与平面问题相同的标准形式 k p 】= 忸) 1 4 ( 3 - 2 2 ) 第三章石油管螺纹工作特性的有限元分析基础 这就是求解节点位移的平衡方程组。 3 1 3 等效节点力的计算 ( 3 2 2 ) 式右边的载荷列阵 其中 忸 ：圭忸) ：kr ；1 r e - i k 】_ 陋。r , z r ( f = 1 ，2 ，行) ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 与平面问题一样，等效节点力也是作用在环形单元上的集中力、表面力和体积力分 别移置到节点上而得到的。移置的原则是根据这些力和等效节点力在任意虚位移上所作 的虚功相等，即 怡r ) r r ) 。：妙寸) r z 娥 g + 妙寸) r g 狮鼢+ 船寸厂扫扣劬谚( s 一2 5 ) 式中为集中载荷白 作用点径向坐标。结合( 3 1 4 ) ，并注意到r ”d o = 2 石上式 可化为： 伍r = 2 矾【始 + 2 丌p r 佃扣，+ 2 石j j i 】7 p 扣鼬话 ( 3 2 6 ) 式中右边第一项为环形单元上的集中力毛g 移置到节点的等效节点力，第二项是环 形单元边晃表面力白 的等效节点力，第三项为环形单元体积力扫 的等效节点力。 集中力的等效节点力 表面力的等效节点力 体积力的等效节点力 驴r = 2 珥【】r g q r - - 2 z r p r g 汹 ( 3 - 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) 西安石油大学硕士学位论文 于是( 3 - 2 6 ) 式可以写成 尸 = 2 疗f j n 7 p r d r d z ( 3 2 9 ) 忸r = p r + 妇r + f p p ( 3 - 3 0 ) 将( 3 3 0 ) 式代入( 3 - 2 3 ) 式，等效载荷列阵可以写成 忸 。：羔 f ) 。+ 妇r + p r ： f ) + 妇) + p ) ( 3 - 3 1 ) - 王 由( 3 2 8 ) 和( 3 - 2 9 ) 可以看出，在轴对称情况下积分号中的被积函数比平面问题多了 一个变量r ，所以不能像平面问题那样用刚体的静力等效原则来求节点的等效力。 3 1 4 轴对称四边形单元 由于钻具连接螺纹的截面形状复杂，在网格划分时。在保证计算精度的前提下，若 z ( ) l i 7 j 匪隅 l i l r _ 0 图3 _ 3 四边形等参单元用于轴对称体 采用三角形单元与四边形单元相结合的混合单元，往往可以使单元的总数减少，节约计 算时间。本章采用四边形等参数单元，如图3 - 3 所示。 四边形等参数单元的位移函数可表示为 占= 阱椰。 1 6 ( 3 - 3 2 ) 第三章石油管螺纹工作特性的有限元分析基础 式中插值函数矩阵j 、r 为： 这里， 又 彩= 0 。q 材，t o y q “，t o t 旋转体的应变为： ( 3 - 3 3 ) ( 3 - 3 4 ) ( 3 - 3 5 ) ( 3 - 3 6 ) 在等参数单元中还需建立以，z 坐标表示的量与以局部坐标亏，7 表示的量的关 系，即 式中： 歹= 院训淼 0 1 f 驯却毒1 0 i l 驯却