特殊螺纹接头密封结构比对分析

生的等 效 接 触 压 力 确 定 密 封 临 界 泄 漏 压 力 的 准
则[10] ;盂基于能量平衡原理的金属密封系数与密封
面形状系数关系的密封能力评价准则[11] 。 笔者采
用有限元分析和实物试验方法对比分析锥面 / 锥面
和弧面 / 锥面两种不同的主密封结构形式在相同螺
纹结构形式及主密封过盈条件下在上扣、拉伸、弯曲
Comparison analysis of premium connection謖s seal structure
WANG Jian鄄dong1,2 , FENG Yao鄄rong1,2 , LIN Kai1,2 , QIN Chang鄄yi1,2 , SONG Yan鄄peng3
(1. Tubler Goods Research of Center,CNOP, Xi謖an 710065, China ; 2. Key Laboratory of Environment and Mechanical Behavior of OCTG, Xi謖an 710065, China ;
sealing surface with tensile load
on main sealing surface after make鄄up
2郾 2摇 弯曲载荷
由图 4 ~ 6 可知,上扣后螺纹 mises 应力分布基
油套管在下井时,由于井身轨迹的弯曲狗腿度,
本一致,不同密封型面的组合应力分布有显著差异, 使管柱承受弯曲载荷,螺纹接头表现为受到拉伸和
·127·
封结构形式是重要因素之一,目前国内外广泛应用
的密封结构形式主要有,锥面 / 锥面、弧面 / 锥面、球
面 / 柱面[5鄄6] 等,特别前两种密封形式在特殊扣密封
中应用最为广泛。 目前关于油套管螺纹密封机制的
研究有 3 种观点:淤API 提出了密封接触压力大于
管内流体压力的准则[7鄄9] ;于沿密封接触长度累积产
1郾 125
24郾 3
以材料实测力学性能的平均值为基础,按线性
强化弹塑性模型表１示０材２料５的真实应力和塑性应变。
1郾 3摇 上扣分析 上扣 2 圈至台肩面接触。 切向接触采用库伦摩
擦定律,用 摩 擦 系 数 表 示 接 触 面 之 间 的 摩 擦 特 性,
８２２．５ API 螺纹脂的摩擦系数一般取 0郾 02[12] 。 上扣后不
Fig. 5摇 Distribution of stress and contact pressure along contact length on main sealing surface after make鄄up
图 7摇 主密封最大接触压力随拉伸载荷的变化 Fig. 7摇 Variation of maximum contact pressure on
同型面密封组合的特殊螺纹 mises 应力云图见图 4, 主密封面接触压力和 mises 应力沿接触长度的分布
见图 5,沿接触长６１度９的．等效７ 塑性应变见图 6。
４１６．９
２２７．５
Βιβλιοθήκη Baidu
２ １４．１
１ １．０４
图 2摇 局部网格划分 Fig. 2摇 Local mesh partition
（ａ）锥面／锥面
摇 摇 文章编号:1673鄄5005(2010)05鄄0126鄄05
特殊螺纹接头密封结构比对分析
王建东1,2 , 冯耀荣1,2 , 林摇 凯1,2 , 秦长毅1,2 , 宋延鹏3
(1. 中国石油集团 石油管工程技术研究院,陕西 西安 710065; 2. 石油管环境和力学行为重点实验室,陕西 西安 710065; 3. 上海宝山钢铁公司,上海 200940)
及内压加拉伸载荷不同工况下的接触压力、接触长
度及沿主密封面泄漏穿透长度的变化。
ｍ1ｉ摇 ｓ有ｅ限ｓ应元分力析
叮嘁ａ 1郾 1摇 特殊螺纹建模
以 API 偏梯形螺纹公称尺寸为基础修正,设导
向面角度为１1３5毅１,承０载面角度为-3毅。 采用二维轴对
称模型和弹塑性非线性分析模型对规格为 椎177郾 8
mm伊12郾 65 mm 套管( 接箍外径 194郾 46 mm) 的不同
2010 年摇 第 34 卷摇 摇 摇 摇 摇 摇 中国石油大学学报( 自然科学版) 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 Vol. 34摇 No. 5 摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 Journal of China University of Petroleum摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 Oct. 2010
１ １．２８
图 4摇 上扣后 mises 应力分布
（ｂ）弧面／锥面 Fig. 4摇 Distribution of mises stress after make鄄up
·128·
中国石油大学学报( 自然科学版) 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2010 年 10 月
图 5摇 上扣后主密封面沿接触长度的应力及 接触压力分布
图 3摇 边界条件及载荷施加 Fig. 3摇 Boundary conditions and applied load
1郾 2摇 材料力学性能
在管体上取 3 个样品,实测材料屈服强度、抗拉
强度及延伸率,见表 1。 弹性模量 E 取 210 GPa,泊
松比取 0郾 3。
ｍｉｓｅｓ应表力1摇 材料力学性能
密 荷封条结件构下形的１式密０(封９锥３性面能/ 锥 进行面、了弧比面对/ 锥分面析)。
,在不同载 依据圣维
南原理,为消除端部约束条件的限制,取管体长度
是螺纹全长的 3 倍,螺纹接头几何模型见图 1。 采
用实体轴８对７６称．四节９ 点单元划分网格,见图 2。 外螺
纹单元数 30 427 个,节点数 31 527 个,内螺纹单元
数 8 216 个,节点数 8 608 个。
６６０．４
图 1摇 特殊螺纹接头几何模型
４４４．０ Fig. 1摇 Geometric model of premium connection
由于螺纹结构的对称性接箍中面的轴向位移为 零,因此在接箍中面上施加轴向位移约束。 轴向拉 力和内压以分布载荷的形式施加在管体和接箍内壁 上以及管体端面,见图 3。 采用对称轴与管体端面 刚性耦合连接,在其上施加弯曲载荷。
摘要:油套管特殊螺纹密封结构形式是影响密封性能的关键因素之一。 采用有限元分析方法对比两种不同的主密 封结构形式———锥面 / 锥面和弧面 / 锥面在上扣、拉伸、弯曲及内压加拉伸载荷条件下的接触压力、接触长度及沿主 密封面泄漏穿透长度的变化,得到不同型面组合的密封能力随载荷的变化规律。 得出新的密封准则为:密封接触表 面之间的有效接触长度大于 0郾 5 mm,接触压力最大与最小值之差是内压的 5郾 8 倍以上,在有效接触压力及长度范围 内接触表面塑性应变控制在材料屈服点应变范围内,可使密封结构达到抗黏扣和消除密封间隙的目的。 实物试验 结果与数值模拟吻合较好,表明建立的模型正确,采用的方法合理;有限元模拟结果显示拉伸载荷对密封性能的影 响显著高于弯曲载荷的。 关键词:接触压力; 接触长度; 密封结构; 有限元方法; 实物试验 中图分类号:TH 13摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 doi:10. 3969 / j. issn. 1673鄄5005. 2010. 05. 023
main sealing surface with tensile load
高山ｏ＼ｂ 图 6摇 上扣后主密封面接触长度上等效塑性应变 Fig. 6摇 Equivalent plasticity strain along contact length
图 8摇 主密封接触长度随拉伸载荷的变化 Fig. 8摇 Variation of contact length on main
摇 摇 油套管是油气钻采过程中必不可少的专用管 材,其质量好坏直接影响到钻采作业的成败和油气 井的寿命。 90% 的气井管柱损坏是由于油套管的螺 纹接头密封完整性被破坏[1鄄3] ,螺纹接头是油套管中 最薄弱的环节,直接影响油气井的寿命。 因此,研究 特殊螺纹接头密封完整性具有重要的现实意义。 密
封完整性是特殊螺纹研究的难点和重点。 特殊螺纹 密封由台肩副密封和管端径向主密封组成,台肩端 受运输过程中和现场操作等环境因素的影响,极易 发生损伤破坏,文献[4] 中规定,在特殊螺纹试验前 应在外螺纹台肩面刻槽,破坏副密封的作用,以保证 井下使用的安全。 影响主密封性能的因素较多,密
3. Bao Steel, Shanghai 200940 ,China)
Abstract: The premium connection謖s seal structure of the casing is the key factor affecting the performance of sealing. The chan鄄 ges of contact length, contact pressure and penetration length along the primary sealing surface of two different main seal structure forms (the cone / cone and arc / cone) were analyzed by finite element method at make鄄up, tension, bending, internal pressure and tensile loading. The changing laws of different types of sealing surface with load capacity were given. The new seal principles were put forward. When the effective contact length of sealing contact surface exceeded 0. 5 mm, the value of contact pressure minimum subtracted from maximum was 5. 8 times internal pressure, and in range of effective contact pressure and length, contact surface plastic strain was controlled in the yield point謖s scope of strain, anti鄄galling and eliminating seal clearance were made. The test re鄄 sults agree well with the numerical simulation. The results show that the established model was proper and the used method was rea鄄 sonable. The influence of the tensile load on the seal was significantly higher than bending load. Key words: contact pressure; contact length; seal structure; finite element method; physical test
收稿日期:2010 -03 -02 基金项目:中国石油应用基础研究项目(2008A-3005) 作者简介:王建东(1972-) ,男( 汉族) ,陕西西安人,工程师,主要从事管柱力学方面的研究。
第 34 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王建东,等:特殊螺纹接头密封结构比对分析
Table 1摇 Mechanical properties of materials
叮嘁ａ 钢级 屈服强度 p1 / GPa 抗拉强度 p2 / GPa 延伸率 浊 / %
1郾 035
1郾 130
24郾 0
140
1郾 035
1郾 115
24郾 5
１２２８ 1郾 050
1郾 130
24郾 5
平均值
1郾 040