新型特殊螺纹油管接头力学性能研究及结构优化

发布时间：2020-05-26 12:57

【摘要】：随着石油开采技术的进步,复杂结构井的大量开发,油管柱的服役工况变得越来越恶劣。螺纹接头作为管柱间的连接部分,同管柱一起在井下承受各种复杂载荷的作用,失效事故频繁发生,给油气田开发造成了巨大的经济损失,提高接头连接强度和密封性能是保证油气田安全开采的关键。目前,国内外学者主要采用二维轴对称模型来分析油管接头力学问题,研究对象主要是单主密封油管接头,关于组合主密封油管接头的研究鲜见报道,另外他们的研究方法主要是有限元法,很少进行全尺寸试验,缺乏对螺纹接头的安全性进行全面的论证,制约了新型螺纹油管接头的广泛应用。针对上述问题,本文采用有限元法,对新提出的特殊螺纹油管接头的连接强度及密封性能进行了深入的研究,并通过全尺寸试验验证接头的强度和密封性能,具体的分析过程及研究成果如下:(1)基于米塞斯屈服准则和非线性力学相关理论,考虑非对称载荷对接头力学性能的影响,建立油管接头的三维仿真模型。提出一种新型特殊螺纹接头结构,通过正交优化试验,对接头螺纹的五大关键结构参数:螺距、齿高、承载面角度、导向面角度和锥度进行正交优化分析,并对密封结构的关键参数:锥面角度、球面半径、扭矩台肩角度进行优化设计。结果表明:各参数对抗拉性能影响的主次顺序为:锥度、承载面角度、齿高、螺距以及导向面角度,螺纹最优参数组合方案为:锥度1:24、承载面角度-5°、齿高1.375mm、螺距6牙/in、导向面角度10°,密封面最优参数组合方案为:锥面锥度1:6、球面半径12mm、台肩角度-18°。(2)计算该新型特殊螺纹接头和API螺纹接头在拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷下的承载能力,根据计算结果对比分析可知:与API螺纹接头的承载性能相比,新型特殊螺纹接头的抗拉性能提高17.77%,抗压缩性能提高10.67%,抗弯性能提高3.94%。(3)分析新型特殊螺纹接头在拉伸载荷、压缩载荷、内压、外压、弯曲载荷、拉弯+内压复合载荷、压弯+内压复合载荷下的力学性能及连接安全性,结果表明:拉伸载荷会使螺纹承载面等效应力增大,显著降低台肩面及锥面对锥面结构的密封性能,对柱面对球面结构密封性能影响不明显。压缩载荷会使螺纹导向面等效应力增大,提高台肩面及锥面密封性能的同时也增加了其屈服失效的风险,还会降低柱面对球面结构的密封性能。内外压力均能促进主密封结构的密封性能,但内压会降低台肩面的密封性能,而外压作用刚好相反。弯曲载荷会使螺纹中间段的应力明显增大,同时显著降低台肩及主密封面的密封性能。该螺纹接头在极限载荷下具有良好的连接强度和优良的密封性能。(4)采用全尺寸试验法,对接头进行了拉伸试验、压缩试验、外压气密封实验、内压气密封试验、复合载荷试验,试验结果印证了有限元的分析结果,表明接头在极限载荷下具有较强的连接强度及优良的气密封性能。
【图文】：

厚壁圆筒,厚壁圆筒结构,受载,柱坐标系

２．１厚壁圆筒理论逡逑厚壁圆筒是指承受内、外压作用且壁厚和半径尺寸相差不大的圆筒。石油管柱一般逡逑均可看成厚壁圆筒，其结构示意图如图２－１所示，因为厚壁圆筒的几何形状和所受载荷逡逑均相对于圆筒轴线对称，，所以圆筒上不同位置的应力也相对于圆筒轴线对称。逡逑图２－１厚壁圆筒结构示意图逡逑根据厚壁圆筒的几何形状和受载特点，并考虑了静力平衡和物理关系，在柱坐标系逡逑中有如下公式［５９］：逡逑＾２ｉ？－＾２Ｐｇ邋｛Ｐ－Ｐｅ）＾Ｒ２ｅ邋N逡逑Ｒ２邋（２－１）逡逑Ｆ＾Ｐ－ＲｌＰ邋（Ｐ－Ｐｅ）Ｒ＾；邋１逡逑ｅ—邋Ｒｌ－玲邋ｒＨ邋ｒ２逡逑式中：—径向应力；逡逑１０逡逑

螺纹结构,标准圆

主要是为了降低公螺纹和母螺纹啮合时的千涉量，避免在上扣过程中发生粘扣。变锥度逡逑主要是为了提高接头的承载能力，改变导向面角度主要是为了在上扣速度和抗压缩性能逡逑中寻求平衡。标准ＡＰＩ螺纹结构如图３－１和图３－２所示，倒钩型螺纹结构如图３－３所示。逡逑图３－１邋ＡＰＩ标准圆螺纹结构图逡逑２２逡逑
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE931.2

【参考文献】