台肩角度对特殊螺纹接头密封性能的影响

随着我国石油勘探水平的不断提高，深井、超深井、热采井以及高温高压气井逐年增加，对油套管的性能，特别是接头的性能提出了越来越高的要求［1］。连接强度高、密封性能好的特殊螺纹接头油套管已得到了油田用户的广泛使用。本文借助ABAQUS有限元分析软件，以Φ139.7 mm×9.17 mm规格P110钢级特殊螺纹接头油套管为例，分析讨论台肩角度对特殊螺纹接头密封性能的影响。

1 有限元模型建立

1.1 模型的简化

特殊螺纹接头密封结构的基本形式主要有锥面-锥面、锥面-球面和柱面-球面等［2-3］。密封面上的接触应力分布直接决定了接头的密封性能，而主密封结构的形式不同，主密封面上的接触应力分布也就不同。锥面-锥面密封结构具有较高的接触应力，较长的密封长度，同时容易进行高精度加工，目前被国内外广泛使用［4］。本文分析选用的特殊螺纹接头结构如图1所示，主密封结构为锥面-锥面金属过盈密封，台肩角度分别为直角、-5°和-15°。

图1 特殊螺纹接头结构示意

根据有限元分析软件特点，结合该特殊螺纹接头的实际情况，对特殊螺纹接头的有限元模型进行以下假设和简化：①管体和接箍为各向同性的强化材料；②忽略螺纹升角的影响；③假设管体和接箍在变形前的几何尺寸为理想状态［5-7］。

根据油田井况，特殊螺纹接头在上卸扣后会在井下承受拉伸、压缩等载荷，因此需要对特殊螺纹接头进行拉伸、压缩载荷下的有限元分析。基于上述模型的特点及假设，特殊螺纹接头台肩角度对密封性能的影响分析可按轴对称问题处理，采用弹塑性非线性有限元方法进行分析。

1.2 参数设置

特殊螺纹接头有限元模型网格划分如图2所示，采用轴对称4节点单元，并在螺纹、密封面及台肩处进行网格加密。根据接头的服役环境，本次分析采用的轴向拉伸及压缩载荷均为2 500 kN，上扣扭矩为9 500 N·m；此外，结合材料特性，取弹性模量210 GPa，摩擦因数0.02（摩擦因数与螺纹脂有关，一般为0.015～0.025［8］），泊松比为0.3。

特殊螺纹接头在上扣过程中，一般分为两个阶段：首先手紧至基准面，此时螺纹之间没有产生过盈量；随后通过控制扭矩，利用专用设备完成整个上扣过程，完成上扣后内外螺纹之间产生过盈配合。

2 有限元模拟结果及分析

2.1 接头上扣后

不同台肩角度的特殊螺纹接头在上扣后，密封面及台肩上各点的接触应力如图3所示。从图3（a）看出：不同台肩角度的接头在上扣后，密封面处的接触应力分布整体趋势类似，均是随着距台肩端面的距离增加而降低；但各点（特别是距离台肩端面近的点）的接触应力区别很大，-15°台肩的接头最大接触应力达到985 MPa，而对应的-5°台肩和直角台肩的接头最大接触应力仅有688 MPa和495 MPa。不同台肩角度对密封面上最大接触应力影响较大，这主要是由于-15°台肩特殊螺纹接头在上扣后，管体端面和接箍台肩面接触并产生一定过盈量，此时管体端面受到的力可分解为水平力和垂直力，垂直力会进一步增加接头密封面相互接触的趋势，且对管体端部影响相对较大，而直角台肩的特殊螺纹接头没有垂直方向的分力；因此-15°台肩的接头密封性能明显优于-5°台肩和直角台肩的接头。

图2 特殊螺纹接头有限元模型网格划分示意

图3（b）所示为特殊螺纹接头上扣后，台肩角度对台肩辅助密封性能的影响。可以看出：不论是-15°台肩接头还是直角台肩接头，接触应力随着与管体鼻端内壁距离的增加，均呈现先增高后降低的趋势，且各个点的接触应力值差别不大。因此从模拟计算结果来看：特殊螺纹接头在上扣后，台肩角度的变化对台肩的辅助密封性能影响不大。

2.2 接头上扣+拉伸载荷

不同台肩角度的特殊螺纹接头在上扣+拉伸载荷条件下，密封面各点接触应力如图4所示。从模拟结果可知：特殊螺纹接头在上扣后受到2 500 kN拉伸载荷时，密封面处的应力值下降幅度非常大，此时3种接头的密封面最大接触应力均在300～400 MPa之间，说明拉伸载荷对接头密封面接触应力的影响较大，但台肩角度的变化对接头在上扣+拉伸载荷条件下的接触应力影响不大。此外，通过 API标准公式［9］（式 1）计算，得出管体内屈服压力Pi为99.5 MPa，因此3种接头在上扣+拉伸载荷下依然能够保证油气井对接头的密封要求。

图3 上扣后密封面及台肩各点接触应力

式中fy——管体名义最小屈服强度，MPa；

kw——管体壁厚误差常数；

t——管体名义壁厚，mm；

D——管体名义外径，mm。

图4 上扣+拉伸载荷条件下密封面各点的接触应力

上扣+拉伸载荷下特殊螺纹接头台肩及密封面各点的接触应力如图5所示。从图5中看出：接头在承受2 500 kN拉伸载荷时，管端与台肩接触位置发生位移分开，接触应力为0，台肩处失去了辅助密封的作用。而密封面靠近台肩的位置依然存在着较高的接触应力，与图4中密封面处的接触应力值相对应。

图5 上扣+拉伸载荷下特殊螺纹接头台肩及密封面各点的接触应力

2.3 接头上扣+压缩载荷

不同台肩角度的特殊螺纹接头在上扣+压缩载荷下，密封面及台肩各点接触应力如图6所示。从模拟计算结果可知：在承受压缩载荷时，3种接头密封面处的接触应力整体趋势均随着与台肩端面距离的增加，接触应力先降后增，但不同的扭矩台肩角度对接头密封面上最大接触应力影响非常大，-15°台肩接头最大接触应力达到788 MPa，且出现在最靠近台肩端面处，而直角台肩接头最大接触应力却仅有223 MPa，且出现在锥面密封面的收尾位置；因此，特殊螺纹接头在上扣后承受压缩载荷时，-15°台肩接头密封性能明显优于-5°和直角台肩接头。这主要是因为在接头上扣后受到压缩载荷作用时，-15°台肩接头管体端面产生的垂直分力进一步增加了密封面之间相互接触的趋势。不论-15°台肩接头还是直角台肩接头，在该载荷下密封面处的最大接触应力均大于管体内屈服压力；因此，3种接头在上扣+压缩载荷条件下依然能够保证良好的密封性能。在上扣+压缩载荷条件下，不同角度台肩面各点接触应力随着距管体鼻端内壁距离的增加呈先升后降的趋势（图6b），且不同角度台肩面上取距离鼻端内壁相同的点，其接触应力几乎相同。因此，台肩角度的变化在上扣+压缩载荷下，对台肩的辅助密封性能影响不大。

图6 上扣+压缩载荷条件下密封面及台肩各点的接触应力

3 结 论

（1）特殊螺纹接头上扣过程中，不同台肩角度对密封面上最大接触应力影响较大，-15°台肩接头密封性能明显优于直角台肩接头，而台肩角度的变化对台肩的辅助密封性能影响不大。

（2）特殊螺纹接头上扣+拉伸载荷条件下，台肩角度的变化对接头密封面处接触应力变化的影响不大，最大接触应力均在300～400 MPa之间，完全满足接头要求的密封性能。而随着拉伸载荷的逐渐增加，3种台肩角度的特殊螺纹接头管端与台肩接触位置分开，导致整个台肩接触应力为0，失去了辅助密封的作用。

（3）特殊螺纹接头上扣后，在施加压缩载荷时，台肩角度的变化对接头密封面上最大接触应力影响非常大，-15°台肩接头最大接触应力达到788 MPa，且出现在最靠近台肩端面位置；而直角台肩接头最大接触应力却出现在锥面密封面的收尾位置，且仅有223 MPa。在该载荷条件下，台肩角度的变化对台肩的辅助密封性能影响不大。

（4）负角台肩的接头在上扣及上扣+压缩载荷条件下可以产生垂直方向的分力，进一步增大密封面相互接触的趋势；因此，-15°台肩接头密封面处密封性能明显优于直角台肩接头。