特殊螺纹接头上扣过程仿真分析

通过对数据结果的分析可以发现： （ 1） 上 扣 拐 点 扭 矩 主 要 受 密 封 面 过 盈 量 影响。 表 2 为四组模型的拐点扭矩分析结果。 表2 四组模型拐点扭矩分析结果
Shoulder torque results of four models
第一组 第二组 9 590 第三组 18 930 N·m 第四组 18 480
以宝钢 BGT2 特殊螺纹接头为例， 该产品从 结构上分为螺纹、 密封面和台肩三部分， 对应的该 系列螺纹接头上扣扭矩曲线也分为三段 ： 螺纹旋 紧段、 密封面接触段和台肩对顶段， 如图 1 所示。 其中台肩起到止扭作用， 防止密封面变形过大而 破坏密封效果， 因此对其扭矩曲线一般要求拐点 扭矩不大于最佳上扣扭矩的 70% ； 同时为保证螺 纹和密封面发挥作用， 一般要求扭矩曲线中拐点 高于最佳上扣扭矩的 10% 。 如未达到规定的上 扣扭矩或拐点扭矩要求， 则表明该上扣过程存在 隐患， 需要卸扣检查后重新上扣。同样的， 与之具 ， VAM TOP、 有类 似 结 构 的 其 他 扣 型 产 品 如 Tenaris Blue 、 JFE BEAＲ 等接头也有类似的上扣 扭矩控制要求和曲线形状控制要求 。而对于其他 结构类型的接头产品， 则有不同的上扣扭矩曲线 控制要求， 如无接触台肩的 Tenaris Wedge 系列接 头， 该产品上扣过程中无明确拐点要求 ， 仅要求控 ［4 － 6 ］ 。 制上扣扭矩， 如图 2 所示
孙建安 工程师 1983 年生 2008 年毕业于东北大学 现从事石油管接头开发研究 Email 电话 26643959 sunjianan@ baosteel． com
义重大。目前国内外文献中大多基于特殊螺纹接 头的过盈尺寸进行最终上扣状态的应力分析 ， 而 很少见到针对整个上扣过程进行的动态分析 。本 文采用有限元分析和实物对比的方法， 对这一因 ［1 － 3 ］ 。 素进行探究
Analysis of premium connection makeup process
SUN Jian’ an and WANG Li （ Ｒesearch Institute ，Baoshan Iron ＆ Steel Co． ，Ltd． ，Shanghai 201900 ，China） Abstract： Based on experiments and finite element analysis （ FEA） ，the relationships between mechanical structure and makeup curve of premium connections were introduced ，and a makeup process of 196． 85 mm ˑ 12． 7 mm BG140V BGT2 premium connection was performed． According to ISO 13679 （ 2002 ） ，models based on different dimensions were founded ，and makeup curves were got from the FEM output． According to the study of the curves，effects of different connection feathers on makeup curve were discussed． Contact force and yield torque of the connection was analyzed upon the analysis result． Comparison with the real makeup curve ，the reliability of this method was validated ，which is helpful for the design and apply of premium connection． Key words： FEM； premium connection； makeup； torque； contact force 伴随国内油气开采向高温、 高压以及超深等 ， 复杂井况条件的发展 特殊螺纹接头目前得到了 越来越广泛的应用。 区别于 API 标准螺纹接头， 特殊螺纹接头的主要特点即带有台肩以及专门的 密封结构并能满足高压条件下的气密封要求 ， 同 时在上扣过程中往往需要采用专门的扭矩控制 。 特别是对于油田作业人员， 上扣过程是特殊螺纹 接头在使用中惟一能够直接观察的控制因素 ， 因 此研究上扣过程对特殊螺纹接头的开发和应用意
图3
Fig． 3
有限元分析模型示意图
Schematic of finite element model
孙建安等
特殊螺纹接头上扣过程仿真分析
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ISO13679 ： 2002《石油天然气工业— — —套管及 油管螺纹连接试验程序 》 标准为石油天然气工业 提供了可靠的、 满足使用目的的油套管接头评价 程序。该标准提供了四种不同的特殊螺纹接头极 限尺寸组合， 用以验证产品性能。 有限元分析过 程中参照该标准的尺寸公差要求 ， 从螺纹过盈量， 密封面过盈量及内、 外螺纹锥度等四个方面针对 不同的配合条件建立有限元模型 。模型的几何尺 寸公差配合见表 1 ， 分析过程在大型商业有限元 软件 ABAQUS 平台上完成。 结合 ABAQUS 软件 的接触分析计算能力， 对螺纹和密封面部分分别 进行接触计算和数据处理， 可以得到螺纹接头上 扣过程 扭 矩 曲 线。 扭 矩 数 据 （ T ） 可 以 由 式 （ 1 ） 得出。
图1
Fig． 1
BGT2 系列特殊螺纹上扣曲线
Typical makeup curve of BGT2
头上扣过程的有限元模拟分析。 基于该规格接头结构尺寸建立螺纹接头的有 限元模型。考虑特殊螺纹接头的结构特点， 选取 分别以接箍中面和接箍轴线为对称面和对称轴线 的二维平面轴对称模型。 为消除边界效应的影 响， 管体长度大于管端至螺纹消失点长度的 3 倍。 材料方面选取各向同性的强化材料模型 ， 材料性 能数据参照 ISO13679 （ 2002 ） CAL IV 级试验规定 的实物检测数据， 有限元模型如图 3 所示。
泛流行的锥面对锥面金属密封和负角度承载螺 纹， 并通 过 了 由 第 三 方 监 理 的 ISO13679 （ 2002 ） CAL IV 级试验验证， 证明了该接头可靠的性能和 高效的气密封能力。
图2
Fig． 2
Tenaris Wedge 特殊螺纹上扣曲线
Typical makeup curve of Tenaris Wedge
i 为接触面中接触点编号； r i 及 p i 分别为有 式中， 限元分析结果中提取的接触点半径和接触压力 ； μ i 为不同部位摩擦因数； s 是接触面轴向长度； θ 是接触面周向角度。 表1
Table 1
组号 第一组 第二组 第三组 第四组 螺纹 过盈量 高 低 高 低
Table 2
加工试样的尺寸组合
n
接触和台肩接触三个阶段。这一分析结果符合图 1 所示的 BGT2 特殊螺纹接头扭矩曲线要求。
图4
不同模型的上扣扭矩曲线分析结果
Fig． 4 Makeup curve analysis results of different models
T =
∑ μi
i =0
∫∫
r2 i p i dsdθ
（ 1）
2
上扣过程模拟
细微结构多且 由于特殊螺纹接头结构复杂， 分布于不能进行简化处理的螺纹和密封面部位 ， 构建三维实体模型过于复杂且计算成本高 ， 因此 目前国内外主流的特殊螺纹接头产品有限元分析 均基于简化的平面轴对称模型。而接头的上扣旋 紧过程属于三维空间旋转问题， 无法通过二维轴 对称模型实现， 因此特殊螺纹接头上扣过程模拟 分析论文很少。 本文同样基于二维轴对称模型， 通过对螺纹啮合过盈量和密封面及台肩接触过盈 量的匹配和数据后处理， 首次实现了特殊螺纹接
2015 年第 4 期
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特殊螺纹接头上扣过程仿真分析
孙建安， 王 琍 （ 宝山钢铁股份有限公司研究院， 上海 201900 ） 摘要： 在试验和有限元分析的基础上， 介绍了特殊螺纹接头上扣扭矩曲线与接头结构的关 系， 并完成了宝钢 BGT2 系列 196． 85 ˑ 12． 7 mm BG140V BGT2 套管气密封特殊螺纹接头的 上扣过程的模拟。参照 ISO13679 （ 2002 ） 标准要求， 针对不同的几何尺寸组合分别建立有限元 模型， 并分析其上扣过程扭矩曲线变化 ， 探讨了不同尺寸参数对扭矩曲线形状的影响； 同时利 用有限元模型计算了该规格产品的屈服扭矩和上扣过程接触力变化 。 通过与实物试验的对 比， 验证了该分析结果的可靠性， 从而为产品开发和使用提供指导。 关键词： 有限元； 特殊螺纹接头； 上扣； 扭矩； 接触力 中图分类号： TG62 文献标志码： B 文章编号： 1008 － 0716 （ 2015 ） 04 － 0041 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1008 － 0716． 2015． 04． 007
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特殊螺纹接头上扣扭矩曲线
特殊螺纹接头拥有 作为一种非标准化产品， 多种多样的密封结构和螺纹形式， 同样也有不同 。 的扭矩曲线形状要求 大量实践结果已表明， 螺 纹接头上扣扭矩曲线是上扣过程的直接反馈 ， 其 形状与螺纹接头的结构形式密切相ห้องสมุดไป่ตู้， 并反映了 上扣质量。
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2015 年第 4 期
Specimen dimension description
密封面 过盈量 低 低 高 高 外螺纹 锥度 缓 缓 正常 陡 内螺纹 锥度 陡 陡 正常 缓
#
试样 编号 — — 1# 3 、 4 2 、
# #
11 500
二组模型的分析结果和三、 四组模型 对比一、 的分析结果可以发现， 对于低密封面过盈量接头， 其上扣拐点扭矩相对较低； 对于高密封过盈量接 头， 其上扣扭矩较高。 两者相差约 7 000 N · m。 结合密封面过盈量实际数值可对这一关系进行深 入研究。 （ 2 ） 螺纹锥度影响螺纹旋紧段曲线斜率 。 对比第三组模型分析结果和一、 二、 四组模型 分析结果可以发现， 当内外螺纹锥度相同时螺纹 旋紧段曲线斜率最大， 外陡内缓或者外缓内陡对 该段曲线锥度影响相同。 （ 3 ） 接头最终上扣圈数与啮合螺纹的最大过 盈量相关。 通过对 4 组有限元分析模型的比较， 可以发 现第四组模型的啮合螺纹的最大过盈量最大 ， 其 次为第一组、 第三组、 第二组； 而接头最终上扣圈 数也有相同规律。 继续跟踪分析上扣过程， 其结果如图 5 所示。 从图 5 中可以观察到， 当上扣扭矩达到 55 000 N·m
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4 组接头的扭 矩 曲 线 将 不 再 线 性 增 加。 左右时， 此时第三组模型对应的应变分布如图 6 所示。 从 图中可以发现此时接头内螺纹台肩发生塑性屈 服， 表明此时特殊螺纹接头已发生结构失效 ， 无法 继续使用。由此可以推断该接头的屈服扭矩约在 55 000 N·m 左右。 为进一步了解特殊螺纹接头上扣过程中的力 学机理， 以第三组模型为例对上扣过程中的接触 力变化进行深入分析， 结果如图 7 所示。 图5
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有限元结果分析
在实际的上扣过程中， 随着扭矩的增大， 接头 ， 各个部分的接触状态始终是变化的 难于精确测 定。为简化分析， 分析过程中假设螺纹部分所有 接触点摩擦因数相同， 同样， 密封面和台肩也采用 相同的摩擦因数。具体处理过程中螺纹部分摩擦 因数取 0． 06 ， 密封面台肩部位摩擦因数取 0． 16 。 由于有限元分析中未考虑螺纹脂及椭圆度等加工 因素 的 影 响， 因此假定螺纹脂及其他因素产生 1 300 N·m 的恒定附加扭矩。 图 4 是 4 组模型上扣过程中的扭矩分析结 4 组模型的上扣曲线均可以 果， 从图中可以看出， 明确地划分为三段， 分别对应于螺纹接触、 密封面
特殊螺纹接头上扣扭矩 通过上述分析可知， 曲线反映了接头内部的结构组合形式， 是实现特 殊螺纹接头上扣过程动态监控的重要分析对象 。 本文以宝钢 196． 85 ˑ 12． 7 mm BG140V BGT2 套管气密封特殊螺纹接头为对象进行上扣过程扭 矩曲线的分析 。 该系列特殊螺纹接头采用目前广