基于ABAQUS的不同上扣扭矩下特殊螺纹接头应力模拟

复杂工作环境中油管接头易发生泄漏、脱扣、破坏等形式的失效，影响其密封性能及连接性能。随着石油勘探技术不断提高和大量高温高压深井的开发，井下管柱服役环境不断恶化，对接头的连接性能提出了更高的要求［1-3］。为保证接头的密封性能，厂家会推荐一定的上扣扭矩范围。然而在不同的上扣扭矩范围内，管体与接头的应力相差较大［4-5］。本文借助ABAQUS有限元软件建立考虑螺纹升角的特殊螺纹接头的三维模型，考察厂家推荐的最小、最佳、最大上扣扭矩下特殊螺纹的最大等效应力，以保证管体与接头具有足够的等效应力，确保连接性能。

1 特殊螺纹接头三维有限元模型

通过SolidWorks软件建立88.9mm×6.45mm P110VAM TOP的特殊螺纹油管接头的三维模型。其中VAM TOP接头螺纹锥度为1∶16，承载面角为3°，导向面角为10°，内外螺距均为5牙/英寸，密封结构为1∶2锥度的锥面对锥面密封。通过ABAQUS软件在油管处施加扭矩［6］，模拟接头上扣的过程，分析上扣过程中接头的应力变化。接头三维模型及有限元网格模型如图1、2所示，为了保证计算结果的精确度，接头与接箍均采用了分块网格划分，并在密封与螺纹处细化网格；整个模型选用C3D8R单元，该单元为8节点三维实体单元，适用于模型扭曲方面的计算［6］。

图1 VAM TOP接头三维模型

图2 VAM TOP接头三维有限元网格划分图

2 最小上扣扭矩下接头等效应力有限元分析

最小扭矩完全拧紧时啮合螺纹等效应力云图如图3所示，最大等效应力出现在靠近密封面端第一圈螺纹处，为284MPa。各圈螺纹处应力值随远离密封面端方向逐渐减小，除靠近密封面端第一圈螺纹处应力值较大外，其余各圈螺纹处应力值较小且分布均匀，第一圈螺纹有应力集中现象出现，但最大等效应力值远小于材料屈服强度。

图3 最小扭矩完全拧紧时接头螺纹等效应力云图

3 最佳上扣扭矩下接头等效应力有限元分析

图4为模拟最佳扭矩上扣过程中，加载前（未接触）、密封面接触、扭矩台肩接触、加载完毕四种状态时，接头的等效应力云图。从图中4种状态可看出，随着接头的逐渐拧入，接头整体应力增大。在密封面间发生接触时，接头密封面处就出现应力集中，其最大等效应力为180MPa。台肩部位接触时，密封面最大等效应力为665MPa；完全拧紧时密封面最大等效应力为765MPa。

图4 上扣过程接头等效应力变化图

4 最大上扣扭矩下接头等效应力有限元分析

图5为最大上扣扭矩完全拧紧时螺纹等效应力云图，由图可知，最大等效应力为289MPa出现在管体小端第一螺纹处，靠近小端前部数圈螺纹的等效应力较大，且分布不均匀，靠近大端的数圈螺纹等效应力较小，并且分布较均匀。以上分布趋势表明，接头因扭矩产生的轴向力主要作用在接头小端处的螺纹。螺纹处最大等效应力小于材料的屈服极限，故以最大上扣扭矩上扣时接头不会发生粘扣。

图5 最大扭矩拧紧时接头螺纹等效应力云图

5 结论

针对上扣扭矩控制不当而引起的特殊螺纹油管接头失效的问题，本文通过建立三维有限元模型，在油管处直接施加扭矩以模拟上扣过程，实现了不同上扣过程的接头应力分析，分析表明。

5.1 三种扭矩作用下，啮合螺纹处虽有应力集中现象，但最大等效应力远小于材料屈服强度。

5.2 相较于最小、最大扭矩，最佳扭矩拧紧状态下密封面、台肩、螺纹处的等效应力大小适中，这样很好地避免了应力过大而引起的塑性变形。

5.3 最佳扭矩拧紧状态下该型特殊螺纹油管接头具有足够大的连接强度。