CBFJ直连型特殊螺纹接头设计分析

直连型特殊螺纹接头的特点是油套管不采用接箍连接，内、外螺纹直接加工在油套管的端部。根据结构尺寸不同，直连型特殊螺纹接头一般可分成两类：一类是接头与管体内、外径完全相同，即完全平齐型；一类是接头较管体内、外径厚，即加厚型。由于这种接头不采用接箍连接，所以减小了整个管柱的外径尺寸，这就意味着增大了管柱与井壁的间隙。正是因为这一优点，使得直连型特殊螺纹接头在石油钻井中有着特殊的用途，尤其在深井、超深井钻井，小间隙固井、修井等作业中得到广泛应用，对解决井眼小、套管下入困难及固井质量不能保证等问题具有重要的意义。

资料显示，国外各大油井管生产厂家，如法国Vallourec、阿根廷Tenaris、美国Hunting、俄罗斯TMK等公司，都非常重视直连型特殊螺纹接头的开发，并且都已经开发了不止一种这类产品，形成了各自的直连型特殊螺纹油井管系列［1-10］，具体见表1。近年来，国内也很重视直连型特殊螺纹接头的研发，天津钢管集团股份有限公司、宝钢集团、江苏常宝钢管股份有限公司等都开发了各自的产品。

在综合考虑油田使用要求和现有机床加工能力的基础上，采取计算机仿真技术设计开发了直连型特殊螺纹接头CBFJ。采用有限元分析CBFJ接头在服役过程中的典型工况，介绍其全尺寸试验结果，以验证有限元方法的准确性，为进一步开发更多直连型特殊螺纹接头提供参考。

表1 国外主要的直连型特殊螺纹接头种类及生产厂家

1 特殊螺纹接头CBFJ的结构

直连型特殊螺纹接头的种类很多，总体上可分为管端加厚型和完全平齐型两种。管端加厚型的接头，连接强度高，最高可以接近或达到管体强度，但都不同程度进行了管端加厚，使得接头的几何尺寸较为粗大，但是，接头外径仍小于普通油套管的接箍外径，否则就失去了意义。完全平齐型接头的内、外壁和油套管的内、外壁完全平齐，但是，几何上的完全平齐是以牺牲接头强度为代价的，这种接头连接强度一般只有管体的45%～70%甚至更低。

CBFJ接头的设计要求是内、外径完全平齐，在这种基本要求下，如何提高螺纹的连接效率和接头的气密封性能，是接头能否设计成功的关键。根据以上要求，最终确定了CBFJ的结构，如图1所示，CBFJ接头由锯齿形螺纹、金属/金属密封结构、扭矩台肩等部分组成。

1.1 CBFJ螺纹

图1 CBFJ接头的结构示意

CBFJ的连接螺纹设计为锯齿形：承载面角-15°，导向面角45°。-15°的承载面设计可以减缓接头承受拉伸载荷时产生的径向应力，避免螺纹滑脱；45°的导向面则有利于接头快速对扣，避免螺纹错扣。螺纹锥度设置为1∶16，螺距4.23 mm（6牙/25.4 mm），齿高及齿宽也相应调整：内螺纹齿高0.9 mm，外螺纹齿高0.8 mm。因为CBFJ的螺纹直接加工在管体上，不适宜采用牙型较高的API螺纹，将内、外螺纹齿高设置在1 mm以下，目的是增加接头的危险截面面积，提高接头连接效率。

1.2 密封结构

CBFJ接头设置有独立的外密封结构和内密封结构，能够同时防止外部流体和内部流体通过接头进入或溢出管柱。外密封采用锥面/锥面金属密封结构，锥面与接头轴线夹角为20°，内密封采用内螺纹锥面/外螺纹组合球面金属密封结构，内螺纹锥面与接头轴线夹角10°，组合球面由3段圆弧连接而成。

密封结构的形式确定以后，其密封性能就取决于其尺寸和公差。利用有限元分析的方法，对CBFJ接头内密封结构和外密封结构的尺寸和公差进行了优化。优化的目标是，在保证密封面不发生黏结损坏的前提下，使密封面上的接触应力大于接头内部或外部气体的压力。

1.3 扭矩台肩

CBFJ接头设置有两个扭矩台肩，外台肩和内台肩。通过液压钳拧紧螺纹时，内、外螺纹首先接触，产生一定的径向过盈后（过盈量约为0.2 mm），外台肩开始接触，此时内台肩还没有接触，尚有0.02～0.05 mm的间隙。继续拧紧，外台肩产生轴向过盈，过盈量达到0.02～0.05 mm时，内台肩才开始接触。因此，外台肩承担了大部分的上扣扭矩，称为主台肩，内台肩分担部分上扣扭矩，称为辅助台肩。两个扭矩台肩设计可提高接头抗扭能力，并保护密封面不因过度旋和而损坏。

2 有限元设计分析

2.1 计算模型

采用有限元分析软件MSC/MARC及其前后置处理器Mentat，建立CBFJ接头的有限元分析模型。考虑到计算精度的要求，建立模型时，进行了以下简化：①接头材料按照各项同性处理；②几何模型和边界条件都是轴对称的；③接触运算采用库仑摩擦模型，假定各接触面的摩擦因数为0.025［11］。综合考虑材料、几何和边界条件的三重非线性，用牛顿-拉斐逊方法求解单元平衡方程。以Φ88.8 mm×6.45 mm规格CBFJ接头为例，建立接头的轴对称有限元分析模型，选用的单元类型为轴对称三节点三边形实体单元，有限元模型及网格细分如图2所示。

图2 有限元模型及网格细分

计算时选择L80钢级CBFJ接头，模型的材料特性参考API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》对L80油管材料特性的测定，见表2。

表2 模型中油管的材料特性

2.2 连接强度分析

直连型特殊螺纹接头的螺纹直接加工在管体上，对螺纹的连接强度有一定的影响，拉伸效率低是这种接头的最大弱点。在结构设计上，CBFJ接头采用钩式螺纹，可防止螺纹发生滑脱失效，以发挥材料的最大性能，其危险截面在内螺纹根部（A1截面）或者外螺纹根部（A2截面）。CBFJ接头危险截面如图3所示。在防止了滑脱失效的失效模式后，为了提高接头拉伸效率，即需要提高A1和A2截面的面积，将二者的面积设置得非常接近、采用较低的螺纹、选择合适的螺纹长度L，或采用更平缓的螺纹锥度，都有利于提高接头连接效率。

图3 CBFJ接头危险截面示意

最终确定Φ88.8 mm×6.45 mm的CBFJ接头的危险截面在图3所示的A1处，最终的拉伸失效载荷为587 kN，理论拉伸效率为58%。图4所示为拉伸失效前，接头有限元计算得到的应变分布。可见，应变主要发生在A1截面，此时整个接头已经有明显变形，内台肩脱离接触。

图4 CBFJ接头拉伸失效前的应变分布

2.3 密封性能分析

对于特殊螺纹接头的金属/金属密封结构来说，既要满足阻隔接头内、外部流体压力的要求，又要满足上扣和使用过程中，不至于损坏金属/金属密封结构的条件。为此，要保证金属/金属密封结构能够有效密封，必须同时满足以下2个方面的要求，否则密封就会失效：

式中σc——接触应力，MPa；

P——接头内、外部流体压力，MPa；

S1——最小耐压安全系数；

σmax——密封接触面最大应力，MPa；

σs——密封结构屈服强度，MPa；

S2——密封结构破坏安全系数。

由于上述判据实际操作起来比较困难，目前通常采用密封面上的接触应力σc沿着密封长度L的积分，作为考量接头密封性能的依据［12-15］，该面积定义为密封指数或者积分强度S。接触应力反映了接触面上对应节点的应力，积分强度则综合体现了接触应力和接触长度的效果。计算公式为：

研究接头在拉伸/压缩或者内压/外压载荷下，密封面的接触应力分布情况。共选择6个加载点，1点为施加55%VME（连接效率58%的0.95倍）的纯拉伸载荷，2点为拉伸+内压载荷，3点为内压载荷，4点为压缩+内压载荷（CBFJ接头的压缩效率为40%），5点为压缩+外压载荷，6点为外压载荷。6个加载点的载荷分别为：1点，508 kN的纯拉伸载荷；2点，508 kN拉伸+42 MPa内压复合载荷；3点，70.1 MPa的纯内压；4点，368 kN的压缩+33MPa内压复合载荷；5点，368 kN的压缩+65 MPa外挤复合载荷；6点，72 MPa的纯外挤载荷。密封面接触应力分布如图5所示。

Φ88.9 mm×6.45 mm L80 CBFJ接头在上述6个加载点情况下，研究其接触应力在密封面上的分布情况，得到如图6所示的变化图。横坐标代表密封接触长度，单位为mm；纵坐标代表接触压力，单位为MPa。

从图6可以看出，接头在上述6个加载点（加载点的选取参考了ISO 13679∶2002《石油和天然气工业 套管和管连接的测试程序》A系的加载方法），均保持了很高的接触应力，而且接触面的密封长度都保持在0.9 mm以上，接触压力曲线的形状基本相同。在上述加载点，主密封面都能保持较高的接触压力和足够的接触长度，也证明接头在上述加载点均能保持良好的密封性能。

图5 密封面接触应力分布示意

图6 密封面上的接触应力分布曲线

经计算，Φ88.9 mm×6.45 mm L80 CBFJ接头在上述6个加载点的密封指数见表3。

表3 各个加载点的密封指数 MPa·mm

3 全尺寸试验

利用全尺寸试验的方法，检验了Φ88.9 mm×6.45 mm L80 CBFJ接头的气密封性能和连接强度，并以水为介质，试验了接头的抗内压强度。

采用干燥氮气为加压介质，对接头施加内压，分步骤加压（28/38/48/58/72 MPa），气密封试验如图7所示，每个压力梯度保压15 min，检测接头是否泄漏。接头最大试验压力72 MPa，在保压过程中未发生泄漏，大于该接头的内压保证值70.1 MPa。

图7 气密封试验

同时，利用图2所示的有限元模型，对接头进行极限载荷分析。首先施加纯拉伸载荷，采用等步长加载的方式，分步加载，当载荷增加到587 kN时，在内螺纹根部，塑性区域穿透了整个截面，此时增加微小的载荷，就会引起很大的变形，说明结构已经失稳。同样，对螺纹拧紧后的接头施加纯内压载荷，采用等步长加载的方式分步加载，当内压增加到87.3 MPa，接头发生失效，说明接头的抗内压能力略低于管体。

极限破坏试验结果与有限元分析结果的对比见表4，由表4可见，有限元结果与试验结果比较接近，说明建立的有限元模型是合理的。

表4 极限破坏试验结果与有限元分析结果对比

4 结 论

（1）特殊螺纹接头的性能取决于其自身的结构设计。CBFJ接头具有与管体完全平齐的内径和外径，但由于其采用了更加优化的螺纹形状，连接效率得到最大限度提高，对于Φ88.9 mm×6.45 mm规格来说，连接效率达到58%以上。

（2）有限元分析表明，特殊螺纹接头CBFJ在拉伸/压缩或者内压/外压载荷作用下，均保持了很高的接触压力，而且接触面的密封长度都保持在0.9 mm以上，较高的接触压力和足够的接触长度，也保证了接头在上述加载点均能保持良好的密封性能。

（3）利用有限元方法，完成新产品CBFJ特殊螺纹接头设计，成功实现CAD（计算机辅助设计）—CAE（计算机辅助工程）—CAM（计算机辅助加工）的无缝衔接，降低了新产品开发成本和开发周期，为开发更多类似产品提供参考。