摘要：通过有限元方法对锯齿形螺纹接头进行拉伸条件下破坏失效规律研究，同时对螺纹啮合长度和壁厚对连接强度的影响进行了分析，并通过全尺寸试验进行了验证。分析表明：锯齿形螺纹接头断裂强度高于滑脱强度，接头的拉伸失效破坏形式为断裂；螺纹啮合长度对锯齿形螺纹接头连接强度有较大影响；为了保证连接强度，应该上扣到位，保证螺纹啮合长度；管端壁厚和偏心对锯齿形螺纹接头连接强度有显著影响，建议应该控制最小壁厚和偏心度。
关键词：锯齿形螺纹；连接强度；有限元；全尺寸试验
API标准的油管螺纹包括不加厚油管圆螺纹和外加厚油管圆螺纹［1］，不加厚油管圆螺纹连接强度仅为管体的60%左右，外加厚油管圆螺纹连接强度较高，主要用于接头连接强度要求较高的井况。然而由于结构方面的原因，存在端螺纹修扣次数受限、短节及附件加工困难、管端敦粗引起加工工艺比较复杂及生产效率低等问题。设计开发一种没有端部加厚但连接强度高已成为油田的现实需求和工厂提高加工效率的需要。国内外主要的石油专用管生产厂开发了特殊螺纹接头［2-4］，其中一种就是锯齿形螺纹接头。锯齿形螺纹接头油管的抗粘扣性能、密封液体＼气体性能和现场操作性能较好，目前在油田的用量逐渐增大。
锯齿形螺纹接头连接强度与管体等效，解决了API圆螺纹因滑脱造成连接强度过低的问题，然而在实际应用过程中仍发生过一些失效事故。笔者采用有限元方法和全尺寸试验方法对锯齿形螺纹接头连接失效机理及影响因素进行了系统的分析，为提高锯齿形螺纹接头连接强度提供理论依据，以减少失效事故的发生。
1 有限元分析
1.1 分析模型
图1 锯齿形螺纹接头有限元模型
忽略锯齿形螺纹接头螺旋升角的影响，建立锯齿形螺纹接头的二维轴对称模型。采用弹塑性非线性有限元模型进行分析，选用的单元类型为轴对称四边形单元。以ø88.90 mm×6.45 mm P110钢级锯齿形螺纹接头为例，弹性模量212 739 MPa，泊松比0.3，屈服强度758 MPa，抗拉强度862 MPa，接触表面的摩擦采用库仑摩擦模型，摩擦因数取0.045［5-6］，有限元模型如图1。接箍对称面轴向约束，在管端施加轴向载荷。锯齿形螺纹接头失效破坏有断裂和内外螺纹间的相对径向位移过大导致所有螺纹滑脱2种形式。
1.2 拉伸条件下破坏失效规律分析
锯齿形螺纹油管接头按照标准上扣后施加轴向载荷，随着轴向载荷的增加，螺纹接头整体应力水平升高；在轴向载荷与名义值比值为1.027时，不完整螺纹第3扣首先出现滑脱，随着轴向载荷增加，啮合的不完整螺纹依次出现滑脱；当轴向载荷与名义值比值1.134时，不完整螺纹第9扣出现滑脱。不完整螺纹滑脱对应的参数如表1。不完整螺纹第3～9扣滑脱应力云图及形貌如图2。
表1 不完整螺纹滑脱对应参数
图2 不同位置不完整螺纹滑脱应力云图
随着载荷进一步增加，当轴向载荷与名义值比值1.138时，接头承载达到最大值。随后即使轴向载荷降低，然而轴向位移却仍可以增加，出现断裂现象发生，接头达到最大连接强度，如图3所示。在接头承载最大载荷后，其他的不完整螺纹和完整螺纹未出现滑脱，因此接头未发生脱扣现象。
由以上分析可知，锯齿形接头油管连接拉伸破坏为断裂破坏形式，有限元计算值与名义连接强度比值为1.138。
图3 轴向载荷和轴向位移的关系
1.3 啮合长度对锯齿形螺纹连接强度的影响
以啮合长度70.48、73.65、76.83、80.00、83.17 mm为例计算分析，分析结果如图4。可知随着啮合长度的增加，接头的连接强度增加，不同啮合长度断裂位置略有不同。因此，啮合长度的变化影响断裂位置，而断裂位置又直接决定其断裂位置处的横截面积，从而影响连接强度的大小。
图4 啮合长度与接头连接强度的关系
1.4 管端壁厚对锯齿形螺纹接头连接强度的影响
以6.45、5.95、5.45、4.95、4.45、3.95 mm壁厚为例计算分析，分析结果如图5。可知随着壁厚的增加，接头的连接强度增加。壁厚变化与接头连接强度二者近似成线性变化趋势，拟合公式为y＝0.177 6x-0.005 7，采用拟合公式可以近似计算不同壁厚的连接强度。
图5 壁厚与接头连接强度的关系
2 全尺寸试验研究
2.1 试样
为了验证锯齿形螺纹接头油管连接强度，选择ø88.90 mm×6.45 mm P110锯齿形螺纹接头油管进行试验，研究啮合螺纹长度和管端壁厚对锯齿形螺纹接头油管连接强度的影响；同时，验证有限元模拟结果的正确与否。共加工了32个外螺纹和16个接箍，组成16个试样进行拉伸至失效试验。
2.2 试验程序
对锯齿形螺纹接头油管试样施加拉伸载荷，具体试验步骤为：
1） 一步加载至试样失效［7-8］。
2） 试验过程中记录时间、载荷等参数。
3） 对失效试样进行拍照。
2.3 试验设备
拉伸至失效试验在复合加载试验系统上进行。该系统试验能力：最大拉伸载荷16 k N，压缩载荷12 k N，三点弯曲试验最大60°／30.48 m，外压力210 MPa，内压150 MPa。
2.4 试验结果
不同壁厚的接头按照不同的转矩上扣，测J值后得到螺纹的啮合长度，最后将接头拉伸至失效，得到的失效载荷如表2。
表2 试验结果
续表2
2.5 试验结果分析
2.5.1 螺纹啮合长度对连接强度的影响
如图6所示，螺纹啮合长度对锯齿形螺纹接头连接强度有较大影响。当螺纹啮合长度为59.00 mm时，接头的连接强度仅为名义值的0.860倍，低于接头名义连接强度；随着啮合长度增长，接头连接强度在增大，但当啮合长度大于69.30 mm时，接头的连接强度高于接头名义连接强度；随着螺纹啮合长度再增大，螺纹连接强度增速放缓，试验值和有限元计算值分布趋势基本一致。
图6 啮合长度与连接强度试验曲线
2.5.2 平均管端壁厚对连接强度的影响
如图7所示，平均壁厚对锯齿形螺纹接头连接强度有显著影响。随着壁厚的增大，连接强度也随着增大；壁厚减小1 mm平均连接强度减低10%，壁厚增大0.89 mm，平均连接强度增加21%。连接强度与管体平均壁厚和横截面积有关，壁厚越大，横截面积越大，连接强度就越高。试验值和有限元计算值分布趋势基本一致。
图7 平均壁厚与连接强度试验曲线
2.5.3 偏心对连接强度的影响
为了验证偏心对连接强度的影响，分别制造名义壁厚、壁厚偏心为2 mm和壁厚偏心为3 mm的管体螺纹，研究偏心对连接强度的影响。试验结果表明：偏心对接头的连接强度有显著影响；偏心为2 mm连接强度比名义壁厚连接强度减低12%，偏心为3 mm连接强度降低17%；壁厚偏心影响横截面积，进而影响连接强度。
2.5.4 其他螺纹参数因素分析
API圆螺纹连接失效机理为滑脱失效，锥度和齿高螺纹参数对其连接强度有一定的影响；锯齿形螺纹接头拉伸破坏为断裂破坏形式，其连接强度与断裂位置的横截面积有关，在锥度和齿高加工公差范围内，对断裂位置的横截面积影响较小，因此锥度和齿高对锯齿形螺纹接头连接强度影响较小。
3 结论
1） 锯齿形螺纹接头断裂强度高于滑脱强度，拉伸失效机理为断裂。
2） 螺纹啮合长度对锯齿形螺纹接头连接强度有较大影响。为了保证其连接强度，应该上扣到位，保证螺纹啮合长度。
3） 管端壁厚和偏心对锯齿形螺纹接头连接强度有显著影响，建议应该控制最小壁厚和偏心度。
