Big Omega 套管螺纹接头的可靠性分析

Big Omega 套管螺纹接头的可靠性分析宋根才11闫相祯2许志倩2杨秀娟2（1中国石油大学石油工程学院 山东东营 257061）（2中国石油大学储运与建筑工程学院 山东东营 257061）摘 要 传统的套管设计中，只对套管接头螺纹的连接强度进行了校核，而忽视了螺纹 泄漏抗力的校核，使一些油气井因泄漏而导致失效。本文在对套管螺纹密封结构分析的基础上， 将非 API 的 Big Omega 特殊螺纹作为研究对象，应用有限元软件 ANSYS 建立模型模拟套管柱 接头行为，计算得出各扣牙的法向接触应力与接头 Mises 应力，并与之扣型相似的 API 标准梯 型扣进行比较，通过改变螺纹参数（丝扣高度、锥度等）计算得出其相应的最大法向接触应力 与最大接头 Mises 应力，分析得出螺纹参数变化对扣牙所受应力的影响规律，从而 Big Omega 接头螺纹参数的改变对套管接头的密封性能影响规律，进而对特殊螺纹接头密封性能的安全可 靠性进行科学有效的评价，提供套管柱接头特殊螺纹扣型的选择依据，为套管柱设计提供更为 准确有效的参考。关键词 安全可靠性 密封性能 螺纹参数 Big Omega1 前言油、套管通过螺纹连接形成长达数千米的管柱，接头部位是整个管柱中最薄弱的环节。油、套管接 头可以分为两类：一类是API螺纹接头，即按美国石油学会（API）标准制造的接头；另一类是非API 螺纹接头，也称为特殊螺纹接头或优质螺纹接头（Premium Connections）。由于API接头自身设计的缺陷， 使用这种接头的油、套管容易发生失效事故，尤其是对于一些条件苛刻的油气井，如超深井、高压气井、 热采井等，普通 API 接头则根本无法满足使用要求。特殊螺纹接头针对 API 接头的不足，以其独特的结 构设计，精密的加工工艺，实现了 API 接头所难以达到的性能，其应用的范围不断扩大1-2。 因此，国内 外钢管企业都非常重视特殊螺纹接头的研究与开发。2 问题简介套管接头的整体性能研究一直是研究者所关注的问题。套管接头的整体性能研究包括三大问题：一 是连接抗拉强度问题，即如何提高套管接头的承载能力；二是重复上扣作用扣牙的损坏问题；三是密封 性能问题，即如何从机理上提高密封的可靠性3。对于套管的连接性能分析，本文从接头扣牙的受力分析 入手，应用有限元计算软件计算得出特殊螺纹Big Omega （大欧米茄）接头不同螺纹参数下的各扣牙受力 分布情况，从而对 Big Omega 特殊螺纹接头密封性能的安全可靠进行科学评价4。3 有限元模型的建立3.1 Big Omega 接头螺纹参数Big Omega （大欧米茄）是用干大直径套管外径14英寸到26英寸（355.6毫米到660.4毫米）的特殊作者简介：宋根才，男，生于 1966 年，高级工程师，主要从事石油天然气工程领域的科研工作，现攻读中国石油大 学（华东）油气工程力学专业博士研究生，yanxz。接头。标准接箍的外径和长度与 API 尺寸相同，但其扣型设计特点较普通的 API 标准梯型扣在螺纹参数 上存在很大差异，详细内容见表 15-6。表 1 Big Omega 与 API 梯型扌扣的对比丝扣类型丝扣高度扣距锥度对中面角度承载面角度Big Omega2.20mm每英寸3扣1 ： 7.5300API 梯型扣1.58mm每英寸 5 扣1 ： 12103Big Omega为有接箍接头，公扣直接在套管本体上加工而成，消除了由于焊接可能带来的风险。BigOmega 扌对中容易，消除了咬扌的可能性。动力大钳上扌比 API 标准梯型扌要快（手动上紧后只再需二 圈）。丝扌详细数据（见图 1）。3.2 有限单元模型的建立将外径16英寸壁厚12.57毫米的P-110大欧米茄（Big Omega）螺纹套管接头作为研究对象，考察其 螺纹参数变化对扌牙所受应力的影响规律。不计螺纹旋转结构的非轴对称性因素，把该接头看作是一个 有三个轴对称（一个接箍和两根管子）相互作用的轴对称结构，而且在轴向具有一个对称面（接箍中间 横截面）。在载荷方面，实际情况通常是拉压载荷对称于接箍中间横截面，而在接箍中间横截面的每一端， 载荷分布是任意的。在这种情况下，只需考虑接头在接箍中间横截面一侧的部分建立力学模型（见图 2）。 为了便于计算结果的处理及比较，要对管端和接箍螺纹的扌牙编号，套管一侧的螺纹称公接头。扌牙号 以公接头为标准，从公接头的管端部开始为 1 号扌牙，接箍的扌牙号按与公接头对应的排序。接箍中间 横截面处的边界条件是轴向位移为零，径向与环向位移自由。为了尽量消除边界效应的影响，力学模型 中所取管子的长度大约是管体端部到螺纹消失面距离的 2 倍7。按照Big Omega特殊螺纹的相关参数建立几何模型，取材料的弹性模量E=206GPa,泊松比v=0.3, 利用 ANSYS 前处理器建立单元网格模型（见图 3）。有限元模型的边界条件是由套管接头的实际约束与 加载条件决定的。为了与实际情况相符，上扣力矩靠过盈量来实现，采用ANSYS中接触特有的过盈量配 合技术，加上合适的技术参数，从而达到正确分析螺纹参数对套管应力影响规律的正确结果。在套管接头上施加 1920kN 的轴向拉力，拉伸载荷对称于接箍中间截面，在接箍中间采用对称位移约束（见图 4）。0.1667 英、管体内径十接篩0.1706*)5 -第I个扣().1627 典、4.133毫米图2套管接头力学模型图 3 套管接头有限元网格模型图4套管接头加载接触对后模型图是在锥度、丝扣高度和对中 扣高度和对中面角度三参宋根才等：Big Qmega套管螺纹接头的可靠性分析1394 结果分析Big Qmega特殊螺纹扣与API标准梯型扣在扣型上比较相似，所 面角度等几个螺纹参数的数值上有比较大的改变。以下分析分别针对锥 数的变化对扣牙应力的影响规律进行了计算研究。4.1原始参数分析4.1.1 计算结果Big Qmega 接头在轴向拉力作用下，各扣牙法向接触应力分布见图 5、6，管端公螺纹和接箍母螺纹 各扣牙的Mises应力分布见图7-9。厂12345678910111213扣牙号0M力应向法触接牙扣讥 蠶鑑當覆:沁 mLnLTCLS 口&+ 3 盟壽就=吕口口p 500Big Qmega接头配合时各扣牙法向接触应力图llllllllllLI齿根 齿腹 齿顶 iM 400OM上牙扣M霍1 M上牙扣2345678910111213扣牙号齿根 齿腹 齿顶7牙口图 7 Big Qmega 公接头配合时扣牙 Mises 应力图 图 8 Big Qmega 接箍配合时扣牙 Mises 应力图4.1.2 分析计算结果得到的结论（1）由图 5 可知，承载面齿腹的法向接触应力呈现双曲线型，两边扣牙所受应力较中间扣牙最大； 管端公螺纹齿根所受的法向接触应力随着扣牙号的增加而减小，在第 10 号扣牙以后接触应力为 0；管端 公螺纹齿顶所受法向接触应力随扣牙号增加而增大，从第 11 扣牙处应力上升速度加剧，在最后一扣牙 13 处应力增至最大值 521.97MPa。（2）由图 7 可知，公接头承载面齿腹和齿根处所受 Mises 应力随扣号的增加变化不大，应力曲线相 对比较平滑，只在最后 3 个扣牙处才略有增加；公接头承载面齿顶处 Mises 应力变化显著，随扣牙号增 加而增大，在最后扣牙 13 处应力增至最大值为 506.96MPa。（3）由图 8 可知，接箍承载面齿根处 Mises 应力随扣牙号增加上下波动，应力曲线相比公接头承载 面齿根应力的曲线抖动比较明显，平滑程度较差；接箍承载面齿腹处 Mises 应力在 11 号扣牙前随扣牙号 增加缓慢减小，11 号扣牙之后应力迅速增加；接箍承载面齿顶 Mises 应力随扣号增加而减少，在 11 号扣 牙处减至最低，其后 2 个扣牙处略有增加，第 1 扣牙处 Mises 应力为最大值 439.89MPa。（4） P-110管材的屈服强度范围为758MPa965MPa,由图5、7、8可知，包括少数不完整扣在内， 各扣牙应力均在材料屈服以下，说明 Big Omega 接头承载能力达到 100%，特殊螺纹 Big Omega 丝扣的密 封性能良好，其密封安全可靠性较高。4.2 锥度变化分析将 Big Omega 接头的螺纹锥度进行变化，计算结果见图 10。其中 1/7.5 为 Big Omega 扣的锥度， 1/12和1/16为API标准梯型扣的锥度。 $泊牙區大搂触慮力牙甩天KimesJ变力计算结果分析得到的结论：爲由图10可知，在锥度为1/10之前扣牙最大法弼V 530 向接触应力与最大Mises应力随锥度减小而增大，g 520 且增加速度较为剧烈，在1/10处二者数值上近, 4904S04T04601/51/7.51/1017121/141/1-6懺度图10 Big Omega接头扣牙应力随螺纹锥度变化图相等，在锥度为1/10之后扣牙最大法向接触应力 增加明显减缓，而最大Mises应力则开始逐渐减小， 在锥度为1/12之后应力值降低趋势变为平缓。由上述分析可知，Big Omega扣采用1/7.5的锥度是合理的。其接触应力和Mises应力都比锥度 为 API 标准梯型扣要求的 1/12 和 1/16 低。4.3 丝扣高度变化分析丝扣高度（mm）图11 Big Omega接头扣牙应力随丝扣高度变化图将Big Omega接头的丝扣高度进行变化，计 算结果见图11。其中2.20毫米为Big Omega扣的 丝扣高度，1.58毫米为API标准梯型扣的丝扣高M 度。（计算结果分析得到的结论：牙由图11可以看出，扣牙最大法向接触应力随 丝扣高度的增加而减小，扣牙高度大于1.27毫米 后，接触应力的降低十分缓慢；扣牙最大Mises 应力随丝扣高度变化上下波动，其数值没有明显宋根才等：Big Omega套管螺纹接头的可靠性分析14!变化趋势；由观察可以发现 Big Omega 的 2.2 毫米丝扣高度为应力的分水岭，小于 2.2 毫米时接触应力略 大于 Mises 应力，而大于 2.2 毫米时接触应力则略小于 Mises 应力。由上述分析可知，Big Omega扣采用2.20毫米丝扣高度相对于其余高度值是十分合理的。 4.4对中面角度变化分析图12 Big Omega接头扣牙应力随对中面角度变化图将Big Omega接头的对中面角度进行变化，计算结果见图12。计算结果分析得到的结论：30对中面角度（度）由图12可以看出，虽然随着对中面角度变化 扣牙的法向最大接触应力和最大 Mises应力一直 上下波动，但就总体而言两项应力都没有明显的变 化趋势，但通过细心观察分析可以得出，接触应力 与Mises应力随着对中面角度的减少而减小。由上述分析可知，Big Omega扣采用的30度 对中面角度相比于API标准梯型扣采用10度不是 十分合理。5 结论（1）通过分析得出 Big Omega 接头的极限应力值出现在接头两端，最大法向接触应力出现在齿根（靠 近接箍）的最后一扣，公接头最大 Mises 应力出现在齿顶最后一扣，而接箍最大 Mises 应力出现齿顶第一 扣处。因此，可以得出外部载荷对接头两端的扣牙密封性能影响显著，应力极值出现的地方扣牙的密封 安全可靠性较低。（2）通过计算可知，包括少数不完整扣在内，各扣牙应力均在材料屈服以下，说明 Big Omega 接头 承载能力达到 100%，特殊螺纹 Big Omega 的整体密封可靠性较高，其扣型设计十分合理。（3）通过改变 Big Omega 接头的螺纹参数计算得出相应的应力，可以发现相比于丝扣高度和对中面 角度，螺纹锥度对于扣牙所受应力影响最大，螺纹锥度越大扣牙所受应力越小，相应的螺纹密封性能越 好，其密封安全可靠性也较高。参考文献1高连新，史交齐油套管特殊螺纹接头连接技术的研究现状及展望J.石油矿场机械,2008,37（2）:15-192朴龙华，张毅我国特殊螺纹接头油套管生产使用现状及需要注意的几个问题J.管加工,2006,35:45-483何牛仔，高学仕,李兆勇热采井套管螺纹连接有限元分析J.石油矿场机械,2007,36（9）:64-664吕拴录，韩用，赵克枫，宋治特殊螺纹接头油、套管使用及展望J.研究与探索,2000,16（3）:1-45瓦卢瑞克曼内斯曼钢管集团油田专用管产品目录6套管,油管和管线螺纹标准GB/T 9253.2-19997齐俊林，罗维东,张宏,曹和平非API标准工况下套管接头的强度分析J.石油机械.1999,27:39-41