特殊螺紋接頭密封性能數值仿真分析

董國艷,孫建安,高 展

(1.中石化西北油田分公司,新疆 烏魯木齊 830011;2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999)

隨著我國油氣田勘探開采工程技術的不斷發展,以及復雜井況環境的不斷出現,油田對石油管接頭的密封性能提出更高的需求,而傳統的API螺紋接頭由于自身結構缺陷無法滿足。特殊螺紋接頭由于具有更高的連接強度和更好的密封性能,滿足管柱在復雜井況下的拉伸壓縮、內壓外擠、彎曲、高溫和腐蝕等苛刻載荷條件,因此在油氣開采中的應用越來越廣泛[1-2]。特殊螺紋接頭主要由3部分構成:齒形、密封結構和擰接控制臺肩[3],其中密封結構起到主密封作用,臺肩結構在某些條件下起到次密封作用[4-6]。密封性能受到各自結構尺寸參數的影響,這些參數之間互相作用影響,并且存在耦合關系。

有限元數值分析方法是一種高效率的分析工具,在石油管領域得到廣泛應用[7-11]。借助仿真手段可以完成螺紋接頭在不同載荷工況下的性能數值分析,完成試驗參數驗證和優化設計[12]。魯碧為等[13]通過建立全尺寸模型研究了上扣和拉伸條件下螺紋過盈量對特殊螺紋接頭性能的影響,發現小過盈量影響不大,并且隨著過盈量進一步增加密封面接觸壓力下降。

在實際應用中,由于螺紋部分接觸狀態復雜且網格較多,導致計算耗時過多且不易收斂,往往會影響對接頭密封面數據的分析。為此,本文以φ88.90 mm×6.45 mm規格某扣型為例,通過建立簡化模型,消除螺紋配合的影響,提高分析效率,快速高效地利用有限元仿真軟件研究了密封面過盈量、材料和溫度在上扣和加載條件下對密封面性能的影響。

1 模型建立

根據給定的特殊螺紋接頭幾何尺寸建立半尺寸有限元離散模型(劃分網格),見圖1。

圖1 特殊螺紋接頭的有限元模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of FE model for premium connections

在特殊螺紋接頭實際上扣中,通過螺紋嚙合、旋入實現公母接頭密封面及臺肩面的接觸和抵靠,形成密封面和臺肩面之間的壓縮載荷,該載荷提供了接頭密封性能基礎。本文為了更清晰地量化過盈量、材料、溫度等不同因素影響,在設置過程中省略了螺紋結構,通過人為管端施加壓縮載荷替代螺紋嚙合、旋入的過程,模擬實際工況中螺紋旋入提供密封部位壓縮載荷。采用這種方式可以實現連續的壓縮載荷變化,更精確地量化上扣過程中密封面的變化狀態。

有限元分析中材料應力—應變采用實際拉伸試驗中得到的工程應力應變,并換算為真實應力應變。有限元計算的載荷邊界條件主要包括對外螺紋模型施加軸向位移,內螺紋模型上端軸向位移約束,另外在外螺紋內螺紋密封面接觸位置設置接觸對。

模型中通過對外螺紋管端施加位移模擬特殊螺紋接頭上扣和承載狀態,通過不同的位移量大小對應不同的載荷施加情況。分析結束提取管端約束反力得到載荷施加數據,提取密封面接觸壓力,獲得不同狀態的密封面接觸壓力積分值[14]。

在不同密封過盈分析中,以表1所示的密封面過盈量設計為例,從每個密封面過盈量的設計區間選取一個優化設計的過盈量參數值,計算同一結構不同公差的密封面接觸壓力積分值。建模過程針對不同配合尺寸分別建立了不同的模型用于對比分析。

表1 密封面公差過盈量設計區間Table 1 Design interval for tolerance of sealing interference

在不同材料分析中,基于一種選定結構,選取110S、N80Q、13Cr-110這3種常用材質進行對比分析;在溫度影響分析中,對比了室溫和180 ℃高溫條件下的相同特殊螺紋接頭的密封性能變化。

通過這種分析模型的建立,減少了計算時間,提升了分析效率,可以快速、高效地對不同特性特殊螺紋接頭密封性能給出分析結果和判斷,從而有助于快速完成特殊螺紋產品開發和應用分析。

分析過程中對接頭密封性能的評價主要依賴于加權接觸強度。加權接觸強度是在接觸強度基礎上對接觸應力進行加權并結合Murtagian等的研究成果確定的密封性能評價公式,見式(1)。

(1)

式中:Wa為加權接觸強度;σc為密封面接觸應力;l為密封面接觸長度。

2 結果與討論

2.1 過盈量影響分析

扣型A在室溫條件、材料110S狀態下3種不同過盈量公差的密封面接觸壓力積分值如圖2所示?？梢钥闯?H-H公差接頭密封面上的接觸壓力積分值是最大的,L-L公差接頭密封面上的接觸壓力積分值是最小。

在抓好核桃產業發展的同時，要加大招商引資力度，積極引進和培育具有市場競爭優勢、帶動能力強的龍頭企業，提高核桃深加工能力，挖掘核桃的潛在經濟效益，不斷拉長核桃生產的產業鏈條，逐步實現生產、加工、銷售一體化，提高經濟效益。全縣4266.7hm2核桃進入盛果期后，每年核桃干果總產量將達到1800×104kg以上。除部分用于直接食用外，絕大部分需進行深加工。因此，大荔縣必須引入或建立龍頭加工企業以解決核桃銷路。

圖2 扣型A 110S材質不同過盈下室溫密封面接觸壓力積分值Fig.2 Contact intensity of the sealing surface at room temperature under different interference of connection A with 110S material

室溫條件中,材料為110S的接頭在3種不同過盈量公差下的臺肩面接觸壓力積分值如圖3所示?？梢钥闯?L-L公差接頭臺肩面上的接觸壓力積分值最大,H-H的最小。

圖3 扣型A 110S材質不同過盈下室溫臺肩面接觸壓力積分值Fig.3 Contact intensity of the shoulder surface at the room temperature under different interference of connection A with 110S material

對比圖2和圖3,當加載392 kN(即40 t)的軸向載荷時,L-L公差臺肩面上的接觸壓力積分值是密封面上的接觸壓力積分值的5.9倍,而H-H公差臺肩面上的接觸壓力積分值只是密封面上的接觸壓力積分值的3.0倍。由此表明,相同加載狀態下大過盈配合密封面受力更大。

圖4為室溫條件下,材料為110S的接頭在3種不同過盈量公差下密封面+臺肩面接觸壓力積分值。從圖4可以看出,L-L公差接頭密封面+臺肩面上的接觸壓力積分值最大,H-H的最小,三者總體相差不大。

圖4 扣型A 110S材質不同過盈下室溫密封面+臺肩面接觸壓力積分值Fig.4 Total contact intensity at the room temperature under different interference of connection A with 110S material

從分析結果可以看出,在施加載荷一定情況下,不同配合條件特殊螺紋接頭密封面+臺肩面的累計受力相差不大,但不同的配合條件造成了密封面受力狀態的變化:在大過盈狀態下密封面受力更大,從而能保證更好的密封效果。這一分析結果與常規設計理念吻合。

2.2 材料影響分析

圖5為室溫條件扣型A接頭在N-N過盈量條件下,3種材料110S、N80Q、13Cr-110 密封面上的接觸壓力積分值。材料性能取值見表2。從圖5可以看出,13Cr-110接頭密封面上的接觸壓力積分值大于110S的,N80Q的最小。

表2 模型中不同材料性能取值Table 2 Performance values of different materials in the model

圖5 同一接頭結構不同材料接頭的密封面接觸壓力積分值Fig.5 Contact intensity on sealing surfaces of joints made of different materials with the same joint structure

圖6為室溫條件接頭在N-N過盈量條件下,3種材料110S、N80Q、13Cr-110的接頭臺肩面上的接觸壓力積分值。從圖6可以看出,3種材料接頭臺肩面上的接觸壓力積分值接近,13Cr-110接頭密封面上的接觸壓力積分值大于110S的,N80Q的最小。

圖6 同一接頭結構不同材料接頭的臺肩面接觸壓力積分值Fig.6 Contact intensity on shoulder surfaces of joints made of different materials with the same joint structure

對比圖5和圖6,圖5是不同材料條件下密封面部位的接觸壓力積分,可以發現不同材質對接頭密封性能有一定影響;圖6是不同材料條件下臺肩部位的接觸壓力積分,分析結果顯示不同材質差異不明顯。從這里可知,不同材料對密封性能的影響主要體現在對密封面的影響上,并且材料性能對密封的影響小于材料強度本身的變化。

圖7為室溫時接頭在N-N過盈量條件下,110S、N80Q、13Cr-110的密封面+臺肩面接觸壓力積分值?？梢钥闯?13Cr-110接頭總接觸壓力積分值大于110S的,N80Q的最小。

圖7 同一接頭結構不同材料接頭的接觸壓力積分值Fig.7 Total contact intensity of joints made of different materials with the same joint structure

從上述分析可知,不同材質對特殊螺紋接頭接觸性能影響是確定的,相同結構下高強度材質產生接觸應力相應增大。

2.3 溫度影響分析

圖8～10分別為同一接頭結構(扣型A),密封公差為N-N、材料為110S接頭密封面上、臺肩面上及密封面+臺肩面上的接觸壓力積分計算結果。

圖8 扣型A在不同溫度下的密封面接觸壓力積分值Fig.8 Contact intensity on sealing surfaces of connection A at different temperatures

圖9 扣型A在不同溫度下的臺肩面接觸壓力積分值Fig.9 Contact intensity on shoulder surfaces of connection A at different temperatures

圖10 扣型A在不同溫度下的接觸壓力積分值Fig.10 Total contact intensity of connection A at different temperatures

從圖8～10可以看出:180 ℃高溫下密封面的接觸壓力積分值低于室溫下密封面的接觸壓力積分值;高溫下臺肩面的接觸壓力積分值略高于室溫下臺肩面的接觸壓力積分值(軸向載荷小于245 kN即25 t時),總體而言,室溫下接觸壓力積分值略高于高溫下接觸壓力積分值。從分析結果看,溫度對接頭性能影響并不明顯。結合既往ISO13679等標準評價試驗方法數據,在現有的評價試驗數據中,更加側重高溫條件下的密封性能評價的C系試驗發生泄漏很罕見,而更加側重內壓、外壓載荷的A系或B系試驗泄漏風險更高,這一定程度上說明溫度并未像預期那樣直接影響接頭密封性能。

3 結論

(1) 分析了同一接頭結構不同公差的接頭接觸壓力狀態,結果可知,在施加載荷一定情況下,不同配合條件特殊螺紋接頭密封面+臺肩面的累計受力相差不大,但不同的配合條件造成了密封面和臺肩面的受力分配的變化:大過盈狀態下密封面受力更大而臺肩受力更小。因此在合理尺寸范圍內盡量增加密封面過盈狀態,將有助于提升接頭密封性能。

(2) 分析室溫下同一接頭結構、不同接頭材料接頭接觸壓力的計算結果可知,同一軸向載荷條件下,不同密封面公差下的接觸壓力積分值為:13Cr-110>110S>N80Q,相同結構下高強度材質產生接觸應力相應增大。

(3) 分析同一結構、相同材料接頭在不同溫度下接觸狀態,室溫下接觸壓力積分值略高于高溫下接觸壓力積分值。