摘要：BG-SG特殊螺纹接头是一种针对国内页岩气井专门开发的特殊螺纹接头形式,主要由锥面/锥面主密封结构、直角扭矩台肩结构和双段式螺纹连接部分组成,具有高连接强度、高抗扭等优点,适用于大狗腿度下的复杂井况。基于控制变量法的思想,运用有限元数值仿真计算方法分别研究了密封面过盈量(δ)、密封面长度(l)和密封面锥度(ΔD/L)等三个结构参数对接头密封接触压力分布和密封性能的影响。分析结果表明,δ的增大对接头密封性能有正面影响,但过大的过盈量并不能持续增加有效接触长度,且需控制其值不致引起接头结构的塑性变形或黏结;增加l值,可一定程度上增加密封面的有效接触长度,但超过某个特定长度以后则会在密封面中部产生零接触应力区域;ΔD/L对密封面两侧接触点附近的影响有所不同。根据分析结果优化设计了各结构参数,所开发接头顺利通过实物性能试验,验证了有限元分析的有效性。

关键词：BG-SG接头; 有限元分析; 特殊螺纹接头; 密封面参数; 密封性能

蔡蕴斌　助理研究员　1989年生　2013年毕业于上海交通大学

现从事钢管力学研究　电话　26649400

E-mail　caiyunbin@baosteel.com

随着国内外页岩气区块开发的深入,对特殊螺纹接头在复杂井况条件下的气密封性要求也越来越高[1];同时,由于国内页岩气区块在开采过程中普遍采取上提下放的作业方式,从而对接头高拉伸载荷下的密封性能提出了更高的要求。因此,开发一种专门用于页岩气井的特殊螺纹接头就显得非常重要。

有限元分析方法,作为特殊螺纹接头开发中的一个重要工具,不仅可以为接头的结构参数优化提供重要的理论依据,还可以大幅减少工作量,降低研发成本[2]。本文基于控制变量法的研究思想,采用有限元模拟仿真方法,对BG-SG接头密封面结构各参数对接头密封性能的影响展开了研究,为接头设计提供了参数优化思路。

1　BG-SG特殊螺纹接头结构

油套管特殊螺纹接头有很多种结构形式,一般由三部分组成:①带锥度的偏梯形螺纹,起连接作用;②专门的金属密封面,通过金属对金属过盈配合,起主密封作用;③扭矩台肩,主要承载压缩载荷,并能够改善主密封面应力状态,拥有辅助密封的功能。这三部分结构在接头中位置分布不同、尺寸配合大小不同,均会直接决定接头的结构性能,尤其是接头的密封性能。

本文的研究对象为宝钢针对页岩气开采开发的一种特殊螺纹接头BG-SG,该接头由双段式螺纹结构构成,锥面/锥面主密封结构和直角扭矩台肩结构则被保护于两段螺纹的中间。对锥面/锥面主密封结构而言,接触过程中接触部位呈现为具有一定宽度和锥度的环带状曲面。因此,主密封结构中能够显著影响密封性能的参数主要有密封面过盈量(δ)、密封面长度(l)和密封面锥度(ΔD/L)等,BG-SG特殊螺纹接头的结构示意图如图1所示。

图1　BG-SG特殊螺纹接头的结构示意图

Fig.1　Schematic diagram of BG-SG premium connection

2　有限元分析

2.1　有限元模型建立

为分别确认主密封各尺寸参数对接头密封性能定量的影响大小,指导接头设计过程中参数大小的选择,本文基于控制变量法的思想,考虑不同参数配合,采用如表1分析方案进行了三类共13个计算案例的分析。

表1　不同分析方案

Table 1　Different analytic projects

分析采用的规格为φ139.7×9.17 mm P110钢级的BG-SG特殊螺纹套管接头,分析中最大拉伸载荷为2 660 kN(对应于90% VME),弹性模量(E)取为206 GPa,泊松比λ取0.3,摩擦因数取0.05,屈服强度取786 MPa。

建模及分析过程中,为便于计算,考虑以下基本假设:①接头材料视为各向同性材料;②忽略接头螺纹升角的影响[3],将接箍及管体简化为二维轴对称模型。划分网格时,对接头的各接触面—主密封面、台肩面和螺纹附近的网格进行加密细化[4],以保证接触分析过程中的计算精度。

计算过程中,接箍沿轴向取其一半长度,并对端部施加轴向约束。分析时,首先通过施加台肩面轴向的过盈量(本文均取为0.09 mm)来模拟接头的上扣过程,然后逐步施加拉伸载荷至2 660 kN。有限元模型的建立及分析,均基于有限元分析软件ABAQUS进行。

2.2　密封性能评价

对特殊螺纹接头的密封性能评价,通常采用的密封积分强度计算公式如式(1)所示[5]:

W=∫PdL

(1)

式中,W为密封积分强度;L为单元长度;P为单元接触压力。

由公式(1)可知,对于接头的密封结构而言,密封面的密封性能与接触应力在有效接触长度上的积分直接相关。因此,本文针对不同分析方案下,对密封面的接触应力分布和有效接触长度进行综合分析和比较。

3　计算结果与分析

3.1　密封面过盈量的影响规律

根据表1中的一类方案,控制密封面长度(l)和密封面锥度(ΔD/L)在取值范围内取定值,研究接头密封面过盈量(δ)对接头性能的影响规律。图2给出了密封面接触应力分布随密封面过盈量(δ)变化的曲线,横坐标的大小为密封面任一点到密封面端部接触点(靠螺纹一侧)的距离。图3为不同密封面过盈量条件下的有效接触长度。

图2　接头密封面接触应力分布

随密封面过盈量变化的曲线

Fig.2　Curve of contact stress distribution on

seal surface with the seal surface interference

图3　不同密封面过盈量条件下的有效接触长度

Fig.3　Effective contact length under different seal

surface interference

由图2可以看出,密封面上的接触应力呈U型分布,在两侧存在高接触应力分布区域,可防止油、气流体从两侧渗入引起密封失效[6]。随着过盈量(δ)的增加,密封面上无论是最大接触应力还是平均接触压力均随之增大,且在靠螺纹一侧的接触点附近,逐渐形成宽约0.30 mm左右的明显的高接触应力区域。

但需要注意的是,密封面上的应力大小也随着过盈量(δ)的增大而增大。通过观察结果发现,当最大过盈量为0.65 mm时,接头的等效应力已经达到了屈服极限,在密封面上产生了少量的塑性变形。

由图3可知,δ增大时,密封面的有效接触长度开始也随之增大;而当δ超过0.45 mm后,有效接触长度不再增加,稳定在2.97 mm左右。这是因为随着δ的增加,整个密封面已完全接触,继续增加过盈量,则更多地表现为接触应力的进一步增大。

3.2　密封面长度的影响规律

高职教育是一种跨界教育，教师核心素养和能力的培养需要“政校行企”四方的联合培养，学校和企业需要参与教师的培养，在监督方面存在一定嫌疑。对此，行业应该发挥出考核官的作用，有效地监督高职院校教师核心素养和能力建设的情况。目前，随着教学改革以及人才培养需求的不断提升，高职院校的校企合作工作有了一定的进展，不断完善合作过程中的各种细节。然而，对高职教师核心素养和能力建设监督方面，行业并没有起到明显的监督作用。行业发展规划中并没有涉及职业教育教师能力的培养，缺乏对教师核心素养、能力和行业人才教育之间关系的梳理。行业应该把高职院校教师核心素养和能力作为企业认证的重要指标之一，加大校企双方合作的力度。

图4　接头密封面接触应力分布

随密封面长度变化的曲线

Fig.4　Curve of contact stress distribution on

seal surface with the seal surface length

图5　不同密封面长度条件下的有效接触长度

Fig.5　Effective contact length under different seal

surface length

由图4、5可看出,当密封面长度较小时,平均接触应力较高,最大接触应力较低,密封面上的接触压力分布较为均匀。当密封面长度l≤4.00 mm时,密封面有效接触长度与密封面长度成较好的线性关系。但当密封面长度l=4.50 mm时,在密封面中间部位产生宽约1.20 mm左右的零接触应力区域,表明该区域在当前拉伸载荷工况下已不再相互接触,而是导致了接触面有效接触长度的损失。

3.3　密封面锥度的影响规律

根据表1中的三类方案,控制密封面过盈量(δ)和密封面长度(l)在取值范围内取定值,研究接头密封面锥度(ΔD/L)对接头性能的影响规律。图6给出了密封面接触应力分布随密封面锥度ΔD/L变化的曲线,图7为不同密封面锥度条件下的有效接触长度。

由图6可以看出,当密封面锥度ΔD/L=1∶4时,虽然平均接触应力较高,但最大接触应力<600 MPa。随着锥度的减小,最大接触应力增大,且均大于750 MPa；当密封面锥度ΔD/L<1∶6时,在密封面的中间部位开始产生零接触应力区域,且逐渐扩大,使存在接触应力的区域越来越小。从图7有效接触长度的变化,也同样支撑了密封面锥度ΔD/L的这一影响规律。

图6　接头密封面接触应力分布随密封面锥度

(ΔD/L)变化的曲线

Fig.6　Curve of contact stress distribution on seal

surface with the seal surface taper(ΔD/L)

图7　不同密封面锥度(ΔD/L)条件下的

有效接触长度

Fig.7　Effective contact length under different seal

surface taper(ΔD/L)

产生这种现象的原因是,在相同的密封面过盈量和密封面长度条件下,当密封面锥度较大时,密封面较陡,实际接触长度并不能达到设计的长度；而随着锥度的减小,靠螺纹一侧的接触点附近接触应力有所减小,靠台肩面一侧的接触点附近最大接触应力则反而明显增大,说明密封面上的接触应力分布并未随着密封面锥度的减小而有所改善。

4　实物性能试验

对基于以上有限元分析方法进行结构优化后的BG-SG特殊螺纹接头开展实物性能试验。试验在宝钢研究院进行,内容包括上卸扣试验、复合加载试验、拉伸失效试验等,所有试样均顺利通过了试验。复合加载试验的结果表明,在拉伸、压缩和内压复合载荷的循环下,接头均能保持密封,验证了文章有限元优化分析的有效性(如图8)。

图8　宝钢研究院试验结果

Fig.8　Test results at Baosteel

5　结论

根据90%VME对应拉伸载荷下的有限元分析,BG-SG特殊螺纹接头的密封面接触应力呈U型分布,在两侧存在很高的接触应力分布区域,保证接头的有效密封性能。结果表明:

(1)过盈量的增大对接头密封性能有正面影响,但过大的过盈量并不能持续增加有效接触长度,且需控制其值不致引起接头结构的塑性变形或黏结。

(2)增加密封面l的大小,可一定程度上增加密封面的有效接触长度,但超过某个特定长度以后则会在密封面中部产生零接触应力区域。

(3)密封面锥度(ΔD/L)对密封面两侧接触点附近的影响有所不同。

(4)当密封面结构参数取值为:0.45 mm<δ<0.55 mm、3.50 mm<l<4.00 mm、1∶4<ΔD/L<1∶6,接头密封面上有着高的接触应力和足够的有效接触长度。

(5)基于有限元优化分析的结构设计,在实验室的实物性能试验中得到了验证,所有试验均顺利通过,未发生接头泄漏。