N80油管接箍螺纹联接的应力分析与失效评估

发布时间：2019-09-18 13:33

【摘要】：油管与接箍的螺纹联接部分是保证油管正常工作的关键纽带。基于弹塑性力学理论,利用ABAQUS有限元软件建立了N80油管接箍的轴对称模型,对油管接箍的上扣过程进行了数值模拟,并结合实际工况分析了不同井深条件下油管接箍螺纹的应力状况,得到了油管与接箍螺纹的失效特征。结果表明:上扣过程中油管和接箍螺纹的Mises应力呈两端高中间低的形式分布,过盈上扣3圈时接箍两端的螺纹已经进入塑性状态;实际工况下,油管螺纹的Mises应力随着井深的增加呈下降趋势,井口处油管两端的螺纹已经超过屈服强度,而接箍螺纹的Mises应力随着井深的增加而增大,3 000 m井深时接箍两端的螺纹均已进入塑性状态,易发生粘扣而导致密封失效。
【图文】：

?114．3mm，壁厚为6．88mm。N80管材屈服强度695MPa，抗拉强度760MPa。模型采用局部建模的方式，并使用轴对称模型，忽略螺旋升角对模型结果的影响［11］。参考实际工程中常见螺纹脂，油管与螺纹之间摩擦系数［12］取0．02。油管接箍选用4节点轴对称减缩积分单元CAX4Ｒ，为保证结果的计算精度，每个齿面采用378个单元划分。同时，根据螺纹距离接箍自由端面的距离，对接触的螺纹齿依次进行编号。通过在油管上端施加轴向力来模拟轴向载荷，在油管内壁施加压力来模拟内压作用，在接箍下端施加对称位移边界条件，如图1所示。图1有限元模型示意Fig．1Sketchofthefiniteelementmodel2油管与接箍上扣过程分析实际工程中，保证油管接箍处螺纹接头不发生泄漏需要满足2个条件:密封面接触压力大于内压;VonMi-ses等效应力小于材料的屈服应力σs，不产生塑性变形而引发粘扣［13］。油管与接箍在上扣过程中主要受到过盈接触产生的压力，API规定油管与接箍的过盈上扣范围为1～3圈［14］，建立有限元模型模拟不同过盈圈数时油管与接箍的上扣过程，不同上扣圈数时油管与接箍的应力云图如图2所示。图2不同上扣圈数时的Mises应力Fig．2VonMisesstressnephogramatdifferenttightencycle图3给出了油管螺纹处的Mises应力分布。由图可见，油管螺纹导向面和承载面的Mises应力呈现两端高中间低的“马鞍形”分布。当过盈上扣1圈时，1号油管螺纹应力最大，其余油管螺纹的应力分布较均匀。随着过盈圈数的增加，油管螺纹的Mises应力逐渐增加，位于两端的螺纹处的应力增加最快，中间位置的螺纹应力分布较均匀，并且螺纹承载面的应力普遍大于螺纹导向面，，过盈上扣3圈时油管螺纹的应力均未达到屈服强第5期中国安全生产科学技术·57·

，在接箍下端施加对称位移边界条件，如图1所示。图1有限元模型示意Fig．1Sketchofthefiniteelementmodel2油管与接箍上扣过程分析实际工程中，保证油管接箍处螺纹接头不发生泄漏需要满足2个条件:密封面接触压力大于内压;VonMi-ses等效应力小于材料的屈服应力σs，不产生塑性变形而引发粘扣［13］。油管与接箍在上扣过程中主要受到过盈接触产生的压力，API规定油管与接箍的过盈上扣范围为1～3圈［14］，建立有限元模型模拟不同过盈圈数时油管与接箍的上扣过程，不同上扣圈数时油管与接箍的应力云图如图2所示。图2不同上扣圈数时的Mises应力Fig．2VonMisesstressnephogramatdifferenttightencycle图3给出了油管螺纹处的Mises应力分布。由图可见，油管螺纹导向面和承载面的Mises应力呈现两端高中间低的“马鞍形”分布。当过盈上扣1圈时，1号油管螺纹应力最大，其余油管螺纹的应力分布较均匀。随着过盈圈数的增加，油管螺纹的Mises应力逐渐增加，位于两端的螺纹处的应力增加最快，中间位置的螺纹应力分布较均匀，并且螺纹承载面的应力普遍大于螺纹导向面，过盈上扣3圈时油管螺纹的应力均未达到屈服强第5期中国安全生产科学技术·57·
【作者单位】： 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院;中国石化西北油田分公司塔河采油三厂;
【基金】：国家重点研发计划课题(2016YFC0802105)
【分类号】：TE931.2

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本文编号：2537532