基于ABAQUS特殊螺纹接头的螺纹参数优化设计

随着油气的大量开采以及钻探井技术的提高，油气井开采工况日益苛刻，如高温高压高腐蚀性井、定向井、水平井、热采井等越来越多，这对油套管螺纹接头性能提出了更高要求，以往大量使用的API标准油套管接头，难以满足使用工况要求［1－3］。这促使油套管生产企业开发性能优异的油套管螺纹接头，即特殊螺纹接头。国内外均十分重视特殊螺纹产品的开发和应用，仅国外特殊螺纹专利产品就有100多种，其中在各类油气田得到广泛应用的也有几十种［4］。特殊螺纹接头与API螺纹接头相比，在连接强度、密封性能、螺纹抗黏结性能、接头的应力水平、抗应力腐蚀等方面都要大大优于API螺纹接头［5－7］。

特殊螺纹接头由于其优良的性能以及高附加值，受到越来越多油田用户和油套管厂家的重视，国内外油套管厂家纷纷投入大量人力物力进行特殊螺纹接头研发，这些代表性的研发生产企业主要有国外的Vallourec、NSSMC、Tenaris、Hunting、JFE、TMK公司等，国内主要为宝钢集团有限公司、天津钢管集团股份有限公司、衡阳华菱钢管有限公司等。

在油套管的设计开发上主要有试验方法、解析方法和有限元方法。在20世纪40年代特殊油套管螺纹接头开发早期，由于计算机技术、软件技术比较落后，主要用解析方法和试验方法来开发。解析方法是基于理想化的模型来进行建模，解析方法针对简单的模型可以有效进行研究分析，而对于像油套管螺纹接头存在材料非线性、几何非线性、边界条件非线性等复杂非线性问题，解析方法则无法进行准确的建模分析，简化模型与实际模型差异很大，导致分析出的结果与实际结果差异较大。试验方法能最客观验证产品的实际性能，在产品开发中具有其他方法不可替代的作用，但是单一的试验方法则对不同参数需要大量的试验次数来验证某一参数下的性能，时间花费巨大，产品开发周期长。现在特殊油套管螺纹接头开发主要是结合有限元方法和试验方法，有限元方法最近几十年随着计算机技术快速发展而在各领域得到普遍使用，有限元作为一种高效率的分析工具在油套管研究分析方面得到了普遍的使用［8-10］。利用有限元仿真分析计算可以缩短研发周期，提高研发效率，节省人力物力。本文以Ф244.48 mm×11.99 mm规格某特殊螺纹油套管为例，利用有限元方法分析其在不同螺纹参数下的性能变化，为油套管特殊螺纹接头的设计提供参考。

1 模型建立

以规格为Ф244.48 mm×11.99 mm P110钢级某特殊螺纹油套管为研究对象，利用ABAQUS软件分析平台，对特殊螺纹接头的接触部位进行网格细化，特殊螺纹接头的有限元模型接触部位网格细化如图1所示，螺纹部位细化网格为0.1 mm，密封面和台肩部位细化网格为0.05 mm，采用四节点四边形单元CAX4，接触模式为面对面接触。

图1 特殊螺纹接头的有限元模型接触部位网格细化

取材料弹性模量2.05×105 MPa，泊松比0.3，材料模型采用双线性强化模型，模型的材料特性如图2所示，根据接头的实际材料性能输入真实应力、真实应变数据。根据接头的受力施加边界条件。根据接头的结构和受力特点，将其按轴对称问题处理，且将接头的接箍中面处理为对称面，该截面内各点只有径向位移自由度；为消除管端效应，建模时管体长度约取螺纹长度的3倍。建模时引入下述简化和假设：由于螺纹的螺旋升角很小，忽略其影响，把接头视为轴对称结构；接头的材料为低合金钢，视为均匀的各向同性体；接触面的摩擦因数与实际接触面粗糙度及螺纹脂类型有关，根据前期试验反馈螺纹部位及密封面和台肩部位取相应的摩擦因数。为了优化螺纹接头应力分布，提高螺纹接头抗各种复合载荷能力，改善螺纹接头的密封性能，本文从螺纹螺距、承载面角度、导向面角度、鼻端长度、密封面形式等几个方面（参数位置如图3所示）进行有限元分析和优化设计，并最终定量分析其密封性能。

图2 模型的材料特性

图3 特殊螺纹接头的螺纹参数示意

2 结果与讨论

2.1 螺纹螺距优化

螺距是螺纹接头设计中首要确定的参数，为此本文研究螺距分别为3.5，4，4.5，5牙/in（1 in=25.4 mm），其他参数保持不变，分析螺距的改变与密封性能、抗压缩性能、抗拉伸性能以及抗扭性能的相关规律。

上扣扭矩随台肩过盈量的变化曲线如图4所示，可以看出螺距对扭矩的影响很小，仅在台肩扭矩上稍有差别。上扣状态下不同螺距的管体内壁Von Mises等效应力曲线如图5所示，分析表明螺距越小管体内壁受力峰值有变大趋势，但差别不大。

图4 上扣扭矩随台肩过盈量变化曲线

图5 上扣状态下不同螺距的管体内壁等效应力曲线

不同压缩载荷下不同螺距时台肩的受力如图6所示。可以看出螺距4.5牙/in和5牙/in在0.8σs时开始出现非线性，表明此时台肩开始出现屈服，说明螺距4.5牙/in和5牙/in最大压缩效率为管体的80%，而3.5牙/in和4牙/in的最大压缩效率基本可以达到管体的100%，同时表明螺距越大时在较大压缩载荷下螺纹可分担的载荷越大，在一定程度上减轻台肩受力水平。据此优选螺距参数为3.5牙/in和4牙/in。

图6 不同压缩载荷下不同螺距时台肩的受力

100%VME拉伸下不同螺距时密封面接触压力分布如图7所示，可以看出螺距越大密封性能有变差的趋势。螺距为3.5牙/in时密封面接触应力分布下降最快；4，4.5，5牙/in时相差不大。据此优选螺距参数为4，4.5，5牙/in。

图7 100%VME拉伸下不同螺距时密封面接触压力分布

对不同螺纹螺距下的受力及密封性能进行了比较分析，综合比较分析可知此规格钢级螺距优选为4牙/in。

2.2 螺纹承载面角度优化

螺纹承载面角度与螺纹接头连接强度和拉伸时的密封性能息息相关。为此对螺纹承载面角度分别为-9°，-6°，-4°，-3°，0°，3°时，分析管体应力状态、抗拉伸性能和密封性能。上扣状态下不同螺纹承载面角度时管体内壁Von Mises等效应力曲线如图8所示，可以看出承载面负角度越大，管体内壁等效应力水平越高，应力水平高容易导致应力腐蚀，在设计上应该遵循低应力设计原则。

图8 上扣状态下不同承载面角度时管体内壁等效应力曲线

视觉传达设计是以某种目的为先导，通过视觉符号对信息进行传达，并对被传达对象产生影响的过程。视觉传达设计在现代设计中的应用非常广泛，如广告、包装等。作为表达地理、地形特征的水纹记号，也属于视觉传达研究的范畴。目前在我国现代水利建设中，所采用的地理水纹记号是传统的地理学的图例，这些地理图例在地理、地图中具有包含各种信息的优势，但是地理图例并不是专门针对水利建设所用，而且在水利建设中所采用的地理图例，没有视觉传达设计的系统整理凸显出比较凌乱的、不正规的、不系统的特点，其中水纹记号尤为严重，因此需要进行系统化的整理。

图9 不同承载面角度在上扣+拉伸下螺纹径向相对位移曲线

不同承载面角度在上扣+100%拉伸时密封面接触应力随接触长度变化曲线如图10所示。可以看出负的承载面角度越大，密封接触长度和密封接触压力越大，密封性能越好，其中承载面角度为-6°，-4°，-3°时密封面接触应力分布差别很小。

图10 不同承载面角度在上扣+100%拉伸时密封面接触应力随接触长度变化曲线

从以上几个方面以及结合实际螺纹加工效率和螺纹接头表面处理等方面考虑，综合比较分析承载面角度优选-4°和-3°，能同时兼有良好的螺纹连接强度、较低的Von Mises应力水平和较优的密封性能。

2.3 螺纹导向面角度优化

螺纹导向面角度影响螺纹接头的实际操作性能和螺纹接头抗压缩性能。在实际操作中，大导向面角度有利于提高螺纹的对扣性能，但过大的导向面角度会严重影响螺纹接头抗压缩性能，为此螺纹导向面角度分别为10°，15°，20°，25°，30°，35°时研究分析其抗压缩性能。

不同压缩载荷下不同导向面角度时台肩的受力如图11所示。从图11中可以看出，当压缩载荷小于0.3σs时，导向面角度变化对台肩受力影响不大；当压缩载荷大于0.3σs后，压缩载荷越大，不同导向面角度的台肩受力差异越明显，导向面角度越大，其台肩的受力增加越明显，其中导向面角度超过30°后，台肩受力幅度明显线性增加。

图11 不同压缩载荷下不同导向面角度时台肩的受力

不同导向面角度在100%VME压缩载荷下台肩的受力如图12所示。从图12可以看出，随着导向面角度的增加，台肩受力增大，当导向面角度超过25°时，曲线斜率明显变大。综合实际操作性能和接头受力情况，导向面角度优选为25°。

图12 不同导向面角度在100%VME压缩载荷下台肩的受力

2.4 鼻端长度优化

鼻端长度与螺纹接头抗压缩性能和密封性能关系密切，原螺纹鼻端长度为L0，改变鼻端长度分别为L0-6 mm，L0-2 mm，L0，L0+2 mm，L0+6 mm，研究分析不同鼻端长度对压缩性能和密封性能的影响。

100%VME压缩下不同鼻端长度的等效塑性应变云图如图13所示。100%VME压缩载荷下不同鼻端长度的台肩受力曲线如图14所示。从图13～14可以看出，在压缩状态下，鼻端长度越长，台肩受力及台肩塑性应变水平越低。这是由于随着鼻端长度的增大，压缩时鼻端可变形能力越大，鼻端台肩越趋向“非刚性接触”，从而造成台肩受力及应力应变水平越低，可知鼻端越长，接头抗压缩性能会越好。但是，台肩受力过低会导致螺纹接头台肩预紧力不够，会影响与其相邻的密封部位的密封完整性；其次台肩受力过低会导致螺纹受力过大，进而导致螺纹塑性变形，影响接头连接强度。

图13 100%VME压缩下不同鼻端长度的等效塑性应变云图

图14 100%VME压缩载荷下不同鼻端长度的台肩受力曲线

上扣和上扣+100%拉伸状态下密封面接触压力随接触长度变化曲线如图15～16所示。由于鼻端长度越长，导致密封接触部位的刚度降低，从而导致密封接触压力下降。从以上分析可以看出，鼻端长度及密封面位置需要合理布置，这样同时兼有良好的抗压缩性能和密封性能。

2.5 密封面结构优化

对密封性能影响最大的因素为密封面结构形式，原密封面形式为锥面/锥面密封结构，把密封面结构设计为锥面/弧面密封结构，以此探讨不同密封结构形式对密封性能的影响。模拟按照ISO 13679∶2002《油套管接头性能评价方法》CALⅣA系进行复合加载，如图17所示［11］，分析其密封接触压力分布状态。

图15 上扣状态下密封面接触压力随接触长度变化曲线

图16 上扣+100%拉伸状态下密封面接触压力随接触长度变化曲线

图17 ISO 13679∶2002 CALⅣA系复合载荷包络线

采用两种气密封判断准则评价接头密封性能：

（1）判断准则1：积分密封指数法。

密封指数S定义为密封面上接触应力对接触长度的积分［12］。计算公式如下：

式中σ——接触应力，MPa；

L——接触长度，mm。

基于密封准则1的密封临界值是基于实物试验获得，不同规格钢级的临界值不相同，需要大量试验获取。经过大量实物试验得到对Ф244.48 mm×11.99 mm P110的临界值为420 MPa·mm，即：∫Lσd L≥420 MPa·mm。

（2）判断准则2：幂指数积分密封指数。

针对热采井，Murtagian和Xie均提出的幂指

数积分密封指数，定义为密封面上接触应力的n次方对接触长度的积分［13－15］。

式中n在采用螺纹时取1.2，无螺纹脂取1.4。

基于大量的试验和有限元分析，Xie基于热采井提出密封临界值W ac按以下公式计算［14－15］：

式中P gas——管柱内气压，MPa；

P atm——大气压力，MPa。

即保证接头密封性能需满足：W a≥W ac。

分别对国内某特殊螺纹接头、国际某典型特殊螺纹接头、螺纹参数结构优化后的模型进行有限元分析比较其密封性能。3个模型在复合加载点下的密封接触压力随接触长度的变化曲线如图18～19所示。

图18 不同特殊螺纹接头在复合加载点下的密封面接触压力随接触长度变化曲线

从图18～19可以看出，国内某特殊螺纹接头和国际某典型特殊螺纹接头的密封面接触压力分布均呈“类三角型”，密封面接触压力在接触长度方向急剧变化，峰值很大，且密封面接触压力分布受各种载荷的影响较大。优化后的模型由于采用了锥面/弧面密封结构以及螺纹参数的优化，其密封面接触压力分布呈“抛物线型”，其密封面接触压力在接触长度方向变化缓慢，峰值大大低于锥面/锥面密封结构，密封面接触压力分布受各种载荷的影响较小，在复合加载点下仍然保持良好的密封面接触压力分布状态。

国内某特殊螺纹接头在复合加载点下的积分密封指数和指数积分密封指数变化曲线如图20所示。两个密封准则下，国内某特殊螺纹接头的密封指数在拉伸和外压载荷下均低于临界值，对于应用在像盐膏层以及地层蠕动等外压苛刻井况有泄漏可能。

图19 优化后模型在复合加载点下的密封面接触压力随接触长度变化曲线

图20 国内某特殊螺纹接头在不同加载点下两种密封准则下的密封性能

国际某典型特殊螺纹接头在复合加载点下的积分密封指数和指数积分密封指数曲线如图21所示。同样，对于应用在像盐膏层以及地层蠕动等外压苛刻井况，国际某典型特殊螺纹接头有泄漏可能。但其密封性能要明显优于国内某特殊螺纹接头。

图21 国际某典型特殊螺纹接头在不同加载点下两种密封准则下的密封性能

优化后模型在所有不同加载点下的积分密封指数和指数积分密封指数曲线如图22所示。可见，优化后模型的所有加载点密封指数均大于临界值，密封性能优于前两者。

图22 优化后模型在不同加载点下两种密封准则下的密封性能

3 结 语

使用ABAQUS对螺距、承载面角度、导向面角度、鼻端长度、密封面形式等一系列螺纹接头参数及结构进行了有限元分析，得出优化后的特殊螺纹接头参数：螺距为4～5牙/in，承载面角度为-4°～-3°，导向面角度为10°～25°，鼻端长度为13～20 mm，密封面采用锥面/弧面配合；并对国内某特殊螺纹接头、国际某典型特殊螺纹接头以及优化后螺纹接头进行了密封性能比较，有限元分析结果表明优化后螺纹接头性能要大大优于前两者，CAD-CAE-CAD设计模式对螺纹接头设计具有一定的指导作用。