（机械工程专业论文）石油套管偏梯形螺纹接头的性能仿真.pdf

s i m u l a t i o n a n a l y s i so fp e t r o l e u mb u t t r e s s c a s i n gt h r e a dc o n n e c t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e j ij i n t a o s u p e r v i s o r p r o f g a ox u e s h i c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m e a s t c h i n a 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果 论文中有关资料和数据是实事求是的 尽我所知 除文中已经加以标注和致谢外 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含本人或他人为获得中国石油 大学 华东 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料 与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文作者签名 日期 刀 年岁月弓 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学 华东 有权使用本学位论文 包括但不限于其印刷版 和电子版 使用方式包括但不限于 保留学位论文 按规定向国家有关部门 机构 送交学位论文 以学术交流为目的赠送和交换学位论文 允许学位论文被查阅 借阅和 复印 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 采用影印 缩印或其他 复制手段保存学位论文 保密学位论文在解密后的使用授权同上 学位论文作者签名 指导教师签名 之陬一 日期 m 降 t 月吕7 日 日期 9 o l 1 年蓐月 1 日 摘要 随着石油工业的发展 一方面由于a p i 圆螺纹其结构上的限制 无法承受较大的 轴向拉力 实现良好的气密性 不能满足大井深 高温 高压的要求 另一面方面新 开发的特殊螺纹多数是在a p i 偏梯形螺纹的基础上改进开发出来的 因此对a p i 偏梯 形螺纹的研究就显得尤为重要 本文通过有限元分析的方法 应用a n s y sw o r k b e n c h 软件 首先对a p i 偏梯形螺 纹建立了有限元模型 设置了接触 通过对a p i 偏梯形螺纹在只承受轴向力 只受上 扣扭矩作用和上扣扭矩与轴向拉力共同作用下的各牙受力情况 接触压力和螺纹间间 隙变化的分析 说明了产生变化的原因 总结了螺纹牙受力分布规律 然后通过对在 公差范围内四种极限锥度配合情况的力学分析 指出了生产加工中最应该避免的是 大头带小帽 的配合形式情况 为了防止套管末端的应力集中 不完整螺纹段锥度 最好较完整螺纹段大一些 通过对3 种齿高下偏梯形螺纹的力学分析 说明了齿高的 增大会使套管变形量增大 承载能力提高 接触压力降低 指出了在大齿高时不完整 螺纹段的锥度要稍微小一点 最后通过对采取锥面密封和球面 柱面密封的偏梯形 螺纹的仿真分析 说明了由于管端过盈的出现 提高了管螺纹的接触压力 通过对两 种密封形式的比较 指出了球面 柱面密封的优点 为基于a p i 偏梯形螺纹的特殊 螺纹的开发提供了参考 关键字 套管 偏梯形螺纹 a n s y sw o r k b e n c h 锥度 齿高 密封 s i m u l a t i o na n a l y s i so fp e t r o l e u mb u t t r e s sc a s i n gt h r e a dc o n n e c t i o n j ij i n t a o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t c c lb yp r o f g a ox u e s h i a b s 仃a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i li n d u s t r y a p lr o u n dt h r e a dd u et oi t ss t r u c t u r a lc o n s t r a i n t s c a nn o ta f f o r dl a r g ea x i a lt e n s i o n g o o ds e a la n dc o u l dn o tm e e tt h el a r g ed e p t ha n dh i g h p r e s s u r er e q u i r e m e n t s f u r t h e r m o r em o s to f t h ep r e m i u mc a s i n gt h r e a d sb a s e do ni nt h ea p i b u t t r e s sc a s i n gt h r e a d t h e r e f o r et h er e s e a r c ho f a p ib u t t r e s sc a s i n gt h r e a di sv e r yn e c e s s a r y t h i sp a p e rm a k i n gu s eo fa n s y sw o r k b e n c hs o f t w a r ew h i c hb a s e d0 1 1f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d s e tu pt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s e l e c tt h ec o n t a c tt y p e s u m m a r y t h er u l e a n dg i v et h ec h a n g e dr e a s o n so ff o r c e c o n t a c tp r e s s u r ea n dg a pw h e na p i b u t t r e s sc a s i n g t h r e a di so no n l ya x i a ls t r e s s m a k e u pt o r q u ea n da x i a ls t r e s sw i t hm a k e u pt o r q u e t h i s p a p e rp o i n t st h a tt h ec a s es h o u l db e a v o i d e da n dg i v et h ea d v i c eo np r o c e s s i n gb ya n a l y z i n g4 k i n d so ft a p e r p o i n t st h ea f f e c to ft o o t hd e p t hc h a n g i n go nd e f o r m a t i o na n dc o n t a c tp r e s s u r e r e v e a l st h a tt h ei n t e r f e r e n c ei sh e l p 烈o ni m p r o v i n gc o n t a c tp r e s s u r ea n dt h es p h e r e c y l i n d e r s e a li sb e t t e rt h a nt h ec o n es e a lb yc o m p a r i n gt h et w ok i n d so fs e a l i n gt y p e s k e y w o r d s c a s i n g b u t t r e s sc a s i n gt h r e a d a n s y sw o r k b e n c h t a p e r t o o t hd e p t h s e a l i n g 1 5 2a p i 圆螺纹的强度缺陷 1 2 第二章管螺纹研究的理论基础与研究方法 1 4 2 1 管螺纹研究的理论基础 1 4 2 1 1 厚壁筒理论 1 4 2 1 2 滑块模型 1 5 2 2 有限单元法 1 6 2 2 1a n s y s w o r k b e n c h 1 8 2 2 2 基于a n s y sw o r k b e n c h 的有限元分析 1 9 第三章偏梯形螺纹的仿真分析 2 7 3 1 偏梯形螺纹有限元模型的建立 2 7 3 1 1 模型的简化 2 7 3 1 2边界条件及扭矩的添加 2 9 3 2 结果分析 3 0 3 2 1 无过盈 轴向拉伸载荷4 0 0 k n 3 0 3 2 2 上扣扭矩单独作用 3 2 3 2 3 上扣扭矩与轴向拉力一起作用 3 6 3 3 参数对偏梯形螺纹的影响 4 0 3 3 1 锥度公差对偏梯形螺纹的影响 4 0 3 3 2 齿高对偏梯形螺纹的影响 4 4 第四章特殊螺纹的有限元仿真 4 7 4 1a p i 偏梯螺纹的密封缺陷 4 7 4 2 特殊扣类型及产品介绍 4 8 4 2 1 特殊扣产品类型 4 8 4 2 2 几种典型的特殊扣 4 9 4 3 锥面密封的偏梯形螺纹的定性分析 5 l 4 3 1 上扣扭矩单独作用 5 2 4 3 2 上扣扭矩与轴向拉力共同作用 5 3 4 3 3 施加轴向拉力前后密封面接触压力比较 5 3 4 4 球面 柱面密封的偏梯形螺纹的定性分析 5 4 4 4 1 上扣扭矩单独作用 5 4 4 4 2 上扣扭矩与轴向拉力共同作用 5 6 4 4 3 施加轴向拉力前后密封面接触压力比较 5 6 4 5 总结 5 7 结论 5 8 参考文献 6 0 攻读硕士学位期间取得的成果 6 2 致谢 6 3 中国石油大学 华东 s e 程硕士学位论文 1 1 石油套管概述 第一章绪论 套管是通过螺纹连接由井口一根一根下到井底的管子 是油气的通道 起着隔离 地层 承受地层压力 保护油气层 避免井下事故的发生 保证安全快速钻井的作 用 按作用分 套管可以分为 导管 表层套管 中间套管也叫技术套管和生产套 管 导管是为了防止表面土层坍塌 引入钻头 表层套管起着隔离地表浅水层 浅部 复杂地层和支撑井口设备 悬挂后续套管的作用 中间套管位于表层套管和生产套管 之间 中间套管可以下几层 下几层叫做几开 起着隔离中间复杂地层 承受地层压 力的作用 生产套管是钻到目的油层后的最后一层套管 起着保护生产层 提供油气 通道的作用 套管是一次性产品 下井后就不取出 1 1 按尺寸分 现在各大厂家生产的套管尺寸 主要遵守美国石油协会a p i 提出的标 准 a p i 主要规定了3 个方面的尺寸 1 套管外径 套管外径从4 1 2 i n 1 1 4 3 r a m 2 0 i n 5 0 8 m m 一共1 4 个尺寸系 列 对于生产套管常用的是5 i n 1 2 7 0 r a m 5 1 2 i n 1 3 9 7 m m 7 i n 1 7 7 8 r a m 9 5 8 i n 2 4 4 5 m m 2 壁厚 a p i 对于同一套管外径给了不同的壁厚标准 从5 2 1 m m 1 6 1 3 m m 3 尺寸配合 主要是井眼和套管的尺寸配合 按工艺分 无缝管 s 和电焊管 e r w 按钢级分 a p i 将石油套管分为4 组 第一组 h j k n 钢级 第二组 c l m t 钢级 第三组 p 钢级 第四组 q 钢级 同时为了统一强度特性 a p i 规 定 钢级由字母和后面的数字组成 如h 4 0 j 5 5 k 5 5 n 8 0 l 8 0 p l l 0 等 前面的 字母代表钢级 后面的数字表示强度特性 根据a p i 的规定 用后面的数字乘以1 0 0 0 就是套管的最小屈服强度 单位是p s i 1 0 0 0 p s i 6 8 9 4 7 5 7 k p a 在标准的钢级中j 5 5 k 5 5 c 7 5 l 8 0 c 9 0 t 9 5 抗硫化氢腐蚀 表层套管通常用1 3 3 8 i n 2 0 i n 多数采用j 钢级 技术套管通常用7 i i l 1 3 3 8 i n 钢级从n 8 0 至u p l1 0 生产套管通常用5 i n 一7 i n 钢级从n 8 0 至u p l l o t 2 1 由于所采用钻头尺寸直径只比套管大几十毫米 为使套管顺利下 1 第一章绪论 入 在下套管的过程需要用扶正器 在套管顺利下入井中后 要注水泥 注水泥的作 用是封固套管和井壁的环形空间 封隔油气水层 按螺纹类型分 短圆螺纹 s t c 长圆螺纹 l c 偏梯形螺纹 b c 直连形螺纹 x c t 2 1 1 2 我国石油套管行业发展与存在的问题 目前我国石油年产量 油井数和油井管的消耗量分别占世界石油年产量的3 5 4 5 世界油井数的l o 和世界油井管年消耗量的1 2 油井管虽然是高风险 高附 加值的冶金产品 但是我国从5 0 年代到8 0 年代中期的油井管一直是依赖进口 从8 0 年代末开始我国才逐渐加快了油井管国产化的步伐 到1 9 9 8 年国产化率达到了7 0 到2 0 0 5 年我国的油井管总产量已经达到了1 6 0 万吨 在自给自足的同时还实现了出 口 目前我国每年石油专用管的消耗量达到1 2 0 万吨 折合人民币1 0 0 多亿元 约占 整个石油工业投入的2 0 生产企业从最开始的宝钢 天钢 包钢等少数生产厂家 发展到现在的几十个生产厂家 其中不仅有国企 还出现了一大批民营 合资的生产 厂家 产品类型也从最开始的a p i 螺纹向着非a p i 的特殊螺纹发展 3 4 纵观我国的油井管发展虽然整体上呈现出欣欣向荣的景象 但是油井管在各大油 田的使用中依然存在不少问题 其中主要是套管的损坏 套管作为通过螺纹连接由井 口一根一根下到井底的管子 是油气的通道 起着隔离地层 承受地层压力 保护油 气层 避免井下事故的发生 保证安全快速钻井的作用 套管服役寿命的长短对油气 井的寿命有着重要影响 套管的损坏不仅会导致天然气泄漏 油气窜层 而且会延缓 正常勘探开发的进度 加大进一步开采的难度 破坏整个注采井网层的布局 威胁正 常生产 但由于油井内情况复杂 地质条件也千差万别 对套管的强度和耐腐蚀性能 上的要求也不一样 特别是随着近些年我国石油工业的发展 油气井越打越深 井内 压力越来越高 使得对石油套管的要求也越来越高 以一口3 0 0 0 m 井深的油气井为 例 整个油气井所使用的套管就有几百根 丝扣2 4 0 多个 而套管采用的都是螺纹连 接 因此只要有一处螺纹连接出现问题 整口井都可能面临着报废的危险 中原油田 从1 9 7 9 年开发到2 0 0 2 年6 月 投入生产的这2 0 多年间 有5 1 0 7 口生产井 其中开井 3 9 6 8 口 关井1 1 3 9 口 报废井1 3 0 5 口 事故井3 0 8 1 口 因套管损坏产生的事故井 2 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 1 7 1 4 口 占所有事故井的5 5 6 随着开采年限的增长 套损井的比例呈现出逐年上 涨的态势 5 1 在统计的a p i 套管失效案例中 螺纹连接失效的占7 5 以上 主要包 括 在轴向力作用下的外螺纹缩径导致的滑脱 螺纹金属咬合粘扣 丧失密封性 外 螺纹最末端牙根处断 接箍纵向开裂等四种失效形式 因此对套管和管螺纹进行研究 分析有着非常重要的意义 1 3 石油套管主要要求 根据a p is p e c5 c t 第八版的要求 石油套管的要求可以分为套管的工艺与机械性 能要求和管螺纹的几何参数要求 1 3 1 套管主要工艺与机械性能要求 根据a p i 要求 所生产的套管应该注明或者出具以下几种性能参数 1 制造方法 管子要采用无缝管或者是电焊管的制造方法 接箍或者接箍的毛坯料要采用无缝 的制造工艺 同时不允许使用未经适当热处理冷拔的管材 6 2 热处理 热处理要严格按照a p i 规定程序进行 对于加厚的管子 需要在加厚后全长热处 理 对于接箍的半成品允许单个热处理 对于电焊管的焊缝 需要在高于5 4 0 c 的温度 下热处理或者采用其他手段使焊缝中没有未回火的马氏体 对于n 8 0 1 类产品要进行 正火或者是正火加回火处理 对于n 8 0 q 类产品要在全部长度上淬火加回火 5 3 化学成分 4 拉伸性能 伸长率万 式中 一试件拉断后标距的长度 6 盥 1 0 0 乇 乇一试件标距 最小伸长率e 由下面的式子确定 3 第一章绪论 嘣筘枷 1 2 式中 p 一标距是5 0 8m m 时的最小伸长率 若计算出来的数值小于1 0 则圆整到 最接近的0 5 如果计算数值大于或者等于1 0 则圆整到最接近的单位百分 数 6 七一常数1 9 4 4 彳 试件的横截面积 单位i i m 2 u 一最低抗拉强度 单位m p a 屈服强度 屈服强度是试件标距段在载荷作用下时 产生规定伸长率所需要的拉应力 6 1 3 2 管螺纹的几何参数 1 大端直径见 管螺纹由名义外径d 的英寸值和螺纹类型符号一起表示 所谓的名义外径d 指的 是套管的公称直径 而螺纹大端直径指的是螺纹消失处的直径d 4 对于圆螺纹而言 大端直径就等于公称直径 对于偏梯形螺纹 当d 1 3 3 8 i n 时 d 4 d 0 4 m m 当 r n d 1 6i n 时 d d j 2 基面中径 圆螺纹手紧面中径巨 圆螺纹手紧面中径 e l 由下面的式子确定 巨 q 一 厶一l l g r 一2 h c 1 3 式中 厶一管端至消失点总长度 一管端至手紧面长度 g 一量规的中径平面到螺纹消失点的长度 r 一锥度 4 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 吃一牙顶高 偏梯形螺纹中径巨 偏梯形螺纹的中径是大径与小径和的一半 计算公式如下 岛 d 4 一h 1 4 式中 h 一偏梯形螺纹的齿高 3 接箍镗孔直径q 接箍镗孔的目的是为了便于观察接箍端面相对于管子螺纹消失点的位置 对于圆 螺纹而言 套管螺纹的消失面出现在接箍孔内两圈是允许的 刀 4 齿高 齿高即螺纹的牙型高度 5 牙型角和牙侧角 螺纹牙型上相邻的两牙牙型侧面的夹角叫做牙型角 而牙侧角是指牙型侧面跟螺 纹轴线的垂线所成的角 特别的对于偏梯形螺纹而言 其前牙侧角为l o o 后牙侧角为 3 0 由于前牙侧面对着管端 主要起引导作用 所以又叫导向面 后牙侧面主要起承 载作用 所以又叫承载面 2 1 6 锥度丁 两个与轴线垂直的圆面直径之差的绝对值与两圆截面轴向距离的比值 1 4 套管的布置与受力分析 1 4 1 套管柱的布置 套管是自井口下入井底一次性永久的油气通道 按作用分 包括导管 表层套 管 中间套管和生产套管 为了降低成本 提高效益 这几种套管需要合理布置 计 算出合适的下井深度 首先在建立好井所在地区的地层压力和地层破裂压力图后 求中间套管下入深 度 如果确定钻下部井段不会发生井涌 可以通过求上一层套管在下入深度处裸露地 层破裂压力梯度p 对应到地层压力和地层破裂压力图 找出曲线上当前的破裂压力 5 式中 p 衍一地层破裂压力梯度的当量密度 单位g c m 3 砟一一最大地层压力梯度 单位g c i i l 3 一井底压力在上提钻柱时会降低 为了平衡地层压力而加的附加钻井液密 度 单位g 6 m 3 一激动压力梯度当量密度 4 包位g c a n 3 墨一地层压裂安全系数 为了避免套管将下入深度处裸露地层压裂 预计发生井涌时 驴砟一 s 等 1 6 式中 一井涌允量 h p 一一最大地层压力梯度点对应深度 一般的 大于 所以通常都按照 设计 只有在确定不会发生井涌时才按 p 加计算 对于中间套管 为了防止发生压力差卡套现象 需要进行校核 而表套一般 不需要 校核公式如下 z k p o 0 0 9 8 p p m x 瓯一 k 1 7 式中 p 一套管所受到的最大静止压差 单位m p a 一该井段内最小地层压力 单位g c m 3 6 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 k 一最小地层压力所对应的井深 单位m 将计算出的 p 与不产生卡套所允许的最大压力差峨相比较 如果计算出的 p 小于等于峨 则巩为下入深度 若 p 大于峨 则会发生卡套 要下尾管并重新 确定中间套管的下入深度 蝎所允许的最大地层压力梯度p 胪 而面a p 瓦 一s w 2 而瓦 一 再去图中找出p 脚所对应的井深 即为h n 1 8 在中间套管下入深度小于初选点的时 还需要确定尾管的下入深度 由中间套管 套管鞋处的地层破裂压力梯度办 可求得允许的最大地层压力梯度户秽 p w 巩吨 s 一瓮s t 式中 峨 一假定的尾管下入深度 1 9 再用上面的公式对尾管进行卡套校核 用类似步骤计算表层套管和生产套管 8 9 1 1 4 2 套管柱的受力分析 在确定了各层套管的下入深度后 还需要对套管柱进行受力分析 确定使用套管 的钢级 套管柱在不同的时期 入井 注水泥和油气生产时期 不同的地层和地质条件 下受力是不相同的 虽然受力复杂 但是仍然可以归纳为以下三种主要载荷 轴向拉 力 内压力和外挤压力 8 9 1 轴向拉力 轴向拉力包括套管的自身重力产生的轴向拉力和附加拉力 套管自重产生的轴向拉力是井口最大 井底最小 设套管柱由n 级套管组成 则套管顶部所受的轴向拉力t 丁 吼 i l 2 3 n 由下至上 1 l o 7 第一章绪论 式中 吼一第i 级套管每米的重量 单位n m 一第i 级套管每米的长度 单位r n 套管柱受轴向拉力会导致两种破坏形式 管体被拉断和螺纹处滑扣 经研究表 明 套管在受轴向拉力的情况下滑扣比拉断的情况要多 特别是圆螺纹套管 实际下 入时是处于钻井液中的 由于浮力的作用 套管受力要比空气中小一些 考虑浮力时 的拉力乙 乙 们一第 1 1 1 式中 岛一钻井液密度 单位k g m 3 成一套管钢材密度 单位k g m 3 在我国实际套管设计过程中 通常是不考虑浮力作用的 认为浮力被井壁和套管 柱之间的摩擦力抵消 但在抗挤压强度的计算中要考虑浮力的影响 由弯曲引起的附加应力 当套管下入弯曲的井眼时 套管会产生弯曲 这种弯 曲变形将产生不均匀的轴向力 增大套管载荷 在套管的弯曲变化率不大时 一般用 经验公式计算由弯曲所引起的附加力乃 乃 0 0 7 3 3 d a 0 1 1 2 式中 d 一套管外径 单位c m p 一井斜变化率 单位 2 5 m 注水泥过程中产生的附加力 在深井或超深井中 注水泥量较大 由于水泥密 度与钻井液密度的差异 在水泥未从套管鞋处返出时 对套管会产生一个附加轴向拉 应力互 乏 办 儿一 d 2 x 4 0 0 0 1 1 3 式中 而一管内水泥柱高度 单位m 以一水泥密度 单位k g m 3 8 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 一钻井液密度 单 l f f k g m 3 d 一套管内径 单位t i l l 其他附加力 在上提套管和下套管时都会产生一定的附加力 这些力难以计 算 只能用浮力减轻来抵消或者用较大的安全系数 2 内压力 套管柱所受内压力包括地层的油 气 水对套管的压力和在压裂 酸化 注水等 特殊作业对套管的压力 井口敞开时 内压力等于管内液柱或气柱压力 井口关闭时 内压力等井1 3 压力与管内的气柱或液柱压力之和 当套管内完全充满天然气时 井口处的内压力仍近似公式为 只 e 1 心x 1 一翩 1 1 4 式中 一井底压力 单位m p a 日一井深 单位m g 一天然气相对密度 通常取甲烷密度 单位0 5 5 9 t i l l 3 当井口安装防喷器时 承载能力就是井口压力 以套管鞋处地层破裂压力作为井口压力 p i h p f a p s 1 1 5 式中 乃一套管鞋处的地层破裂压力梯度 单位m p a m 丹一附加系数 通常取1 2 k p a m 3 外挤压力 套管所受的外挤压力主要包括 管外泥浆和水泥浆液柱压力 地层对套管的净水 压力和地层中的油 气 水压力 在常规的套管柱设计中 外挤压力按管内全部掏 空 即无内压力时一定深度管柱所受的外压力计算 p 9 8 p r l 1 1 6 式中 p 一外挤压力 单位p a 成一环空泥浆密度 单位k g m 3 o 第一章绪论 一管住长 单位m 由此可见 外挤压力在井口最小 井底最大 1 5 偏梯形螺纹研究的目的和意义 套管柱在井下所承受的轴向力 内外压力大部分都由管螺纹承担了 管螺纹的应 力分布状态决定了套管柱的连接强度和密封性能 目前 各大油田常用的是符合a p i 标准的短圆螺纹 s t c 长圆螺纹 l c 和偏梯形螺纹 b c 套管接头闭 其中圆螺纹由于 其成本低 较其他几种螺纹气密性好 使用的最多 可是圆螺纹由于其结构上的缺 陷 在密封性和牙型强度上都存在一定的缺陷 因此在高压气井和深井中 圆螺纹就 不再适合 1 5 1a p i 圆螺纹的密封缺陷 a p i8 牙圆螺纹是1 9 3 4 年由美国u n i o n 石油公司最先使用并沿用至今的 从理论 角度说 单纯的a p i 圆螺纹是不具备密封效果的 因为套管和接箍啮合时在螺纹的牙 顶和牙底间存在间隙 并且会形成一条与螺纹相符的螺旋状间隙带 间隙带的大小不 仅受螺纹牙型公差的影响 而且还与牙型角有关 1 0 1 1 螺纹牙型公差对密封性的影响 p l 沈 要 o 厂 瓮兰i i 沈 舸l麦 二 f l l l r乒径线 图1 1 套管圆螺纹牙型 f i g l 1r o u n dt h r e a d 1 0 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 图中 p 一螺距 由图1 1 可以看出 h 足 是 j 吃 屯 1 1 7 式中 日一圆螺纹原始三角形高度 底边平行于中径圆锥母线的螺纹牙型三角形为原 始三角形 一原始三角形顶点到外螺纹牙顶的距离 玩一外螺纹的牙高 是一原始三角形顶点到外螺纹牙底的距离 既一原始三角形到内螺纹牙底的距离 吃一内螺纹的牙高 一原始三角形顶点到内螺纹牙顶的距离 具体的螺纹参数值见表1 1 2 1 表1 1 螺纹参数 单位 i n t a b l e l 1t h r e a dp a r a m e t e r s u n i t i n 螺纹参数 8 牙 i n p o 1 2 5 h 0 8 6 6 p 0 1 0 8 2 5 吃 0 6 2 6 p 一0 0 0 7 0 0 7 1 2 5 毛 o 1 2 0 p o 0 0 2 0 0 1 7 0 0 足 屯 o 1 2 0 p 0 0 0 5 0 0 2 0 0 0 其中螺纹高度吃 吃的公差带为一0 0 0 4 i n 0 0 0 2 i n 由图1 1 可以看出内螺纹牙 底到外螺纹牙顶的距离和内螺纹牙顶到外螺纹牙底的距离相等 设这个距离为z 则 z 一屯 o 0 0 3 i n 1 1 8 考虑到当吃取上偏差 即吃 0 0 7 3 2 5 i n 吃取下偏差 即吃 0 0 6 7 2 5i n 时 有 最大间隙 设此时的间隙为a 则 第一章绪论 a l 吃一h n 2 z 0 0 0 6 0 i n 1 1 9 此时泄漏会最严重 当吃取下偏差 取上偏差同理 2 圆螺纹牙型角公差对密封性的影响 根据a p i5 b 的要求 圆螺纹牙型角的公差为 1 5 考虑极限情况 当内螺纹牙 型角取上偏差即6 1 5 外螺纹牙型角取下偏差5 8 5 时 此时由牙型角引起的间隙最 大 设为 见图1 2 2 2 h t a n 3 0 7 5 t a n2 9 2 5 0 0 0 3 7 7 8 7 5i n 1 2 0 a 2 0 0 0 7 5 5 7 5 i n 1 2 1 由此可见 牙型公差和牙型角公差对圆螺纹的密封性都有一定影响 只是牙型角 公差对密封性的影响更大 由于a p i 圆螺纹结构上的这种先天不足 为了保证密封需要对接箍进行磷化或者 镀锌镀铜等 而且要用较好的密封脂来填充间隙 才能实现密封 但是随着科技的进 步 钻井工况开始向着更大的压力 更高的温度发展 在高压下 密封脂会被挤出 使圆螺纹丧失密封性 在高温下 密封脂中的黄油又会烧失 无法实现密封 图1 2 圆螺纹牙型角公差 f i g l 2t h et o l e r a n c eo fr o u n dt h r e a d 1 5 2a p i 圆螺纹的强度缺陷 1 2 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 由图1 1 可以看出 a p i 圆螺纹的牙型角为6 0 0 其齿侧3 0 0 斜面为承载面 受力 时会产生较大的径向分力 这种径向分力会使母扣外涨 公扣内缩 导致连接强度只 有管体连接强度的6 0 7 5 研究发现 在同样的尺寸结构下 圆螺纹相对于偏梯 形螺纹滑脱载荷要小2 0 0 0 多k n t l l l 随着石油工业的发展 适合大井深的石油套管螺纹已经成为一种必须 圆螺纹在 密封性上虽然存在一定的优势 但其承载能力上的缺陷使它受到制约 同时新兴的特 殊螺纹有绝大部分也是在偏梯形螺纹的基础上演变而来的 因此对偏梯形螺纹的研究 就非常必要 1 3 第二章管螺纹研究的理论基础与研究方法 第二章管螺纹研究的理论基础与研究方法 2 1 管螺纹研究的理论基础 管螺纹的研究是基于厚壁筒理论和斜面上的滑块模型进行的 2 1 1 厚壁简理论 如图2 1 是存在过盈配合的两个圆筒 其中 i 眨 分别为圆筒内径 外径和任 意点半径 在两圆筒的接触面上存在着径向应力q 和周向应力q 1 2 1 内压作用下 外压作用下 图2 1 厚壁筒 f i 9 2 1s l e e v em o d l e q 禹 多 q 离 多 1 4 2 1 2 2 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 q 岳 多 q 离 多 式中 b 一圆筒内壁上受的内压力 p 一圆筒外壁上受的外压力 式 得到 设接箍和套管的过盈量为万 锥度为t 上扣圈数为 螺距为p 则 2 3 2 4 万 华 2 5 一 同时 根据接箍与套管的径向变化量之和为万 结合圆筒内任意点的径向位移公 舻生e 乌b 誓a 坐e 铆ba 2 6 2 2 2 2 7 鲁c 筹训 鲁c 筹刊 万 仁7 e 6 b 2 一a 2 c 2 一b 2 胪 面雨c 芒石a 一 1 2 8 3 2 2 2 8 式中 4 一管端内半径 召一接箍研究点内半径 c 一接箍外径 2 1 2 滑块模型 在对螺纹进行受力分析的时候 通常将螺纹简化成斜面滑块的模型处理 13 1 如图 2 2 2 3 当滑块在推力e 轴向力f 作用下沿斜面上升时 根据力的平衡 c c o s p f s i n l p 一 es i n 9 f伊 0 cos s i n p u s i n c o s0 2 9 一一 f 9 伊 z 一9 j 1 5 第二章管螺纹研究的理论基础与研究方法 式中 一摩擦因数 矽一螺旋升角 p 一摩擦角 整理后得 上扣力矩 e f 筹蔷 t a n p 互 f t a n 9 户 互 c t 2 2 砚t a n 伊 户 2 图2 2 螺纹受力 f i 9 2 2t h e f o r c eo ft h r e a d s 2 2 有限单元法 2 l o 2 1 1 2 1 2 2 1 3 图2 3 滑块模型 f i 9 2 3s l i d e rm o d l e 有限单元法是在将待定函数离散化后 求解初始值或者边界值的数学方法 有限 1 6 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 单元法的基础是变分法 基本思想是在将计算区域划分成有限个不重叠的单元后 选 择单元内合适的节点作为插值点 通过数学的方法将方程离散化 用线性解逼近真实 解 1 4 1 1 有限单元法的特点 单元可以以一维 二维或三维的形式和不同的形状存在 适应性强 场函数虽然由近似函数分区域表示 但是其方程形式没有受到限制 同时也没 有规定各单元必须采用相同的方程形式 因而有限单元法的可应用性强 有限单元法的理论基础变分法已经得到证明 可以被看作是边界条件的等效积 分形式 因此只要能够保证问题的数学模型正确 算法稳定 通过增加单元数目 增 加单元自由度和提高插值函数的阶次 则近似解越接近精确解 所以有限单元法的可 靠性高 计算机的应用使得效率大大提高 在工程结构的数值分析方法中 除了有限单元法还包括有限差分法 有限差分 法是通过泰勒级数将连续体上的函数进行展开 对建立起基本的微分方程进行数值近 似的方法 虽然有限差分法在连续介质的求解问题上有比较好的应用 但是对于复杂 的边界条件 有限差分法的求解就显得比较困难了 因此与有限差分法相比 有限单 元法通用性更强 物理概念更明确 1 5 2 有限单元法的发展过程 有限单元法最早见于1 9 4 3 年 柯朗 c o u r a n t 在他的论文里 第一次用了一组 三角形元素 解决力学中的扭转问题 但是他的这种思想在当时并没有引起足够的 重视 直到6 0 年代 有限元法才正式登台 近几十年来 在计算机科学的发展带动 下 有限单元法在各个方面都取得了根本性的发展 主要表现在 单元类型和形式越来越多 随着新的原理被应用于有限元分析中 混合型 杂交型等有限元表达形式得以 出现 计算精度越来越高 可解决的物理问题越来越广泛 有限元方程的解法得到了发展 迭代法 r i t z 向量直接迭代法和l a c z o s 向量直 接迭代法都得以成功应用 用于有限元计算的专用软件层出不穷 1 4 1 1 7 第二章管螺纹研究的理论基础与研究方法 目前常用的有限元分析软件是a n s y s 及其系列产品 a n s y s 高级非线性结构和多物理场有限元分析 a n s y sw o r k b e n c h 完整的协同仿真环境 包括 几何建模 网格操作 结构 热分析和优化设计 同时能和c a d 软件紧密地结合 c f x 一先进的c f d 求解器 包括 耦合 并行c f x 5 求解器 i c e mc f d 强大的带有通用前后处理特征的网格划分工具 包括 生成复杂 c f d 网格的i c e mc f d 和生成复杂结构有限元网格的a ie n v i r o n m e n t 2 2 1a n s y sw o r k b e n c h 长期以来为用户提供成熟c a e 产品的a n s y s 公司 不仅提供成熟的软件 也提 供软件的组件 用户对这些组件的重新组合 不仅能满足自己的需要 而且可以形成 自主知识产权的技术 a n s y sw o r k b e n c h 就是为重新组合这些软件而设计的专业平 台 w o r k b e n c h 不仅提供了一个简洁的类似于w i n d o w s 的操作界面 而且允许用户自 己的技术融入界面当中 使它操作起来更便捷 更容易上手 w o r k b e n c h 不仅使用了经 典a n s y s 的数据处理器保证了计算精度 而且其c a d 链接器实现了c a d 软件与 w o r k b e n c h 的无缝对接 可以使数据在c a d 软件与w o r k b e n c h 分析软件中互相传输更 新 省去了在a n s y s 中建模的麻烦 a n s y sw o r k b e n c h 由四个模块组成 d s d m d x 和f em o d e l e r d s 是用 a n s y s 的求解器 做结构或热分析 由于采用了与a n s y s 相同的求解器 所以 w o r k b e n c h 与经典的a n s y s 软件有同样的精度 与类似的分析步骤 首先选定分析类 型 其次导入模型 定义材料属性 划分网格 施加约束 然后求解 最后分析结 果 检验 d m 用来建立c a d 几何模型 为分析做准备 d x 用于研究变量的输入 如几何 载荷 对响应 如应力 频率 的影响 f em o d e l e r 用来把其它c a e 软件 的网格转化到a n s y s 中使用 a n s y sw o r k b e n c h 的主要特色包括 1 自动分析功能 对于结构比较复杂 零部件又比较多的汽车 电子和航空产品 a n s y s w o r k b e n c h 不仅能够自动识别相邻的零部件而且可以自动设置接触关系 相比于现在其 他一些有限元分析软件 a n s y sw o r k b e n c h 的这一功能大大节省了时间 提高了准确 1 8 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 性 除了自动设置接触关系以外 a n s y sw o r k b e n c h 还提供手动编辑接触的功能 2 与c a d 软件的整合性 a n s y sw o r k b e n c h 作为新一代的多个物理场协同c a e 仿真环境 其另一个主要贡 献在于它对c a d 软件与设计流程间的整合性 可以实现与c a d 系统的双向连接 这 就意味着当c a d 模型发生变化时 不再需要像传统的c a e 软件一样去重新定义负载 和约束 同时如果在分析过程中发现模型有需要改进 也可以通过a n s y sw o r k b e n c h 的参数管理来调整c a d 模型的参数 大大提高了设计效率 3 自动网格划分 以往的c a e 软件需要用户花费很多时间来建立网格 而a n s y sw b r k b c h 提供 了网格自动划分功能 节省了时间 提高了效率 自动网格划分可以通过自动调整网 格密度的方法满足高精度区域的要求 通过生成特性 形状都比较好的元素来保证网 格质量 可以使指定的结果达到要求的收敛精度 通过自动求解器的选择实现负载的 智能化和边界条件的自动处理 4 多物理场分析 由于c a e 技术涵盖范围广 同时有些行业的产品是多学科的综合设计的结果 而 以往的c a e 软件一般都只能解决某一个学科的问题 从而用户不得不从多个公司购买 产品 再经过组合来满足实际需要 这样做一方面加大了用户在软件方面的投入 另 一方面由于不是一个公司的产品在数据的传递上无法保证准确性 而a n s y s w o r k b e n c h 对于c a d 软件的整合性和对多物理场的偶合分析功能使得这一问题得到了 较好的解决 5 方便快捷的参数优化 做产品仿真分析的目的就在于对产品的性能进行优化设计 a n s y sw o r k b e n c h 里 的d e s i g n x p l o r e r 可以结合c a d 系统和d e s i g ns p a c e 通过基于d s d b 的数据库文件 对模型的几何参数 所求的分析结果 边界条件 甚至是一些派生参数进行优化 1 6 2 2 2 基于a n s y sw o r k b e n c h 的有限元分析 1 导入模型 确定分析类型 在d m 建立好模型或将c a d 模型导入后 就可以用d s 做有限元分析了 d s 可以做的分析类型包括 1 9 第二章管螺纹研究的理论基础与研究方法 线性应力分析 进行误差估计 应力与安全系数的计算等 模态分析 用来计算系统固有频率 包括预应力 热传递 对温度场和热流场进行热分析 同时允许热传导 对流 支持热应力分 析 谐分析 用来计算结构在正弦激励下的响应 线性屈曲分析 用来计算失效载荷 安全系数和屈曲形态 形状优化 通过拓扑优化技术的使用 对零件在受载荷时的体积优化进行预测 非线性结构分析 用来计算系统在静力作用下的系统变形和应力 其中包括大变 形和接触非线性 以及材料非线性 下列三种类型的体素 s o l i db o d i e s s u r f a c eb o d i e s 和l i n eb o d i e s 可以在d s 中加 以分析分析 s o l i db o d i e s 是指3 d 的体或零件 这些体或零件可被划分成形函数为二次的高阶 四面体单元或六面体单元 每个节点对于结构有三个平动自由度 对于热分析有一个 温度自由度 s u r f a c eb o d i e s 是指几何上为2 d 空间上为3 d 的面体素 s u r f a c eb o d i e s 被划分成 线性壳单元 对于结构分析 每个节点上有三个平动自由度和三个转动自由度 对于 热分析 每个节点上有一个温度自由度 l i n eb o d i e s 是用来描述与长度方向相比较其他两个方向的尺寸很小的结构 截面 的形状不用显示出来 一般来讲 只有d s 支持建立l i n eb o d i e s 并能定义截面和线的 方向 l i n eb o d i e s 可划分成为线性梁单元 每个节点对于结构分析有三个平动自由度 和三个转动自由度 对于热分析有一个温度自由度 可以很好的描述类似梁的结构 2 接触分析 如果两个独立表面相互接触并且相切 则认为两个表面间存在接触 接触表面一 般的不会渗透 通常不传递法向拉力 但是可以传递法向压缩力和切向的摩擦力 接 触是状态改变非线性 当存在很多零件时 需要定义零件之间相互关系 接触区域定 义了实体或壳之间如何相互影响 点焊提供了定义壳组件的方法 如不进行接触和点 焊设置 那么零件之间就没有相互关系 在结构分析中 接触和点焊能阻止零件之间 的穿透 同时也提供了零件之间载荷传递的方法 在热分析中 接触和点焊允许零件 搿 中国石油大学 华东 工程硕士学位论文 之间的热传递 相比于经典的a n s y s 软件 w o r k b e n c h 在输入装配体后会自动检验接 触面并生成接触 如果是从c a d 软件中导入模型 在导入前只需要建立两个非常接近 的面来代替接触 通过 t o l e r a n c es l i d e r 滑块 在 c o n t a c t 分支 给出检验出接触 的公差或者通过改变 t o l e r a n c et y p e 输入数值 调整接触区域 对于不合适的接触 也可以手动修改 接触中利用的是目标面的渗透量限制接触面上的积分点 当一个面为目标面 另 一个面为接触面时时不对称接触 两面都为目标面或接触面时是对称接触 确定接触类型 w o r k b e n c h 给定了5 种接触类型 b o n d e d n os e p a r a t i o n f r i c t i o n l e s s r o u g h 和 f r i c t i o n a l b o n d e d 完全绑定 无摩擦也无滑动 n os e p a r a t i o n 和固结类似 在小范围内允许无摩擦的滑动 f r i c t i o n l e s s 部件之间摩擦系数为0 允许法相分离 r o u g h 与无摩擦