石油套管螺纹联接仿真与接箍起始斜度优化

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.027 第27卷第1期 北京科技大学学报 Vol.27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 石油套管螺纹联接仿真与接箍起始斜度优化 吴迪平”臧勇”秦‘勤”关大新) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)天津市无缝钢管厂，天津300220 摘要针对API8牙圆螺纹石袖套管接头建立了轴对称有限元分析模型，分析了机紧状态 下不同参数接头的典型应力应变及接触行为规律，通过对接箍起始斜度的优化研究发现，接 箍最佳起始斜度为50-55°.该结果成功地应用于生产实际. 关键词石油套管：螺纹：斜度：有限元 分类号TE256.9 套管接箍螺纹起始斜度是套管接头的重要 (3)接头机紧状态的过盈量采用热膨胀来模 参数，有关研究和实践表明，接箍螺纹起始斜 拟，这里认为手紧状态下啮合区管体螺纹与接箍 度对套管接头接触状态和使用性能等有明显影 螺纹牙形侧面之间的间隙为0，则机紧三圈条件 响.对参数进行研究，可为标准套管接头的结 下的过盈量的计算方法如下： 构改进和使用、新型接头开发等提供理论依据. △D=stm=0.5953mm, 本以API8牙圆螺纹套管接头为对象，计算 AR=岁-02977m 分析了不同接箍螺纹起始斜度下接头螺纹的接 其中，s为接头锥度，t为螺纹螺距，”为机紧圈数， 触状态、应力分布等，研究了它们随接箍螺纹起 接箍起始斜度为25°时的模型网格如图2所示. 始斜度的变化规律，并讨论接箍螺纹起始斜度对 建模时管体及接箍实体部分采用四节点二维轴 接头螺纹粘接问题的影响，以期提出合理的接箍 对称实体元构建，接触区采用二维面-面接触元 螺纹起始角度. 构建.材料变形遵循各向同性弹塑性变形规律 1模型的建立 102 对称面 采用ANSYS大型综合有限元软件进行分 套管↑ 析.分析对象为机紧状态下的5号×7.72mmN80, b154 φ1401 中140 API8牙圆螺纹套管接头.其结构和尺寸除接箍 图1接头结构尺寸图（单位：mm) 螺纹起始斜度外，完全符合API标准APISPEC Fig.1 Structure and dimension of the coupling.Unit:mm 5CT和API SPEC STD5B的规定.接头结构和 太通 几何尺寸如图1所示，其中a为起始斜度角， 在n☐ 建模过程主要考虑了如下问题： (a)整体模型网格 (1)套管接头螺纹的升角很小，对接头内的应 力应变等参数影响很小.考虑到分析模型的实用 性，这里的计算分析采用轴对称模型进行， (2)最后一圈啮合螺纹的啮合情况和严格的 轴对称工况是有差异的.考虑到这一因素，在轴 对称模型时取最后一牙的接触区长度为实际最 后一圈啮合螺纹接触区的平均长度， (b)起始斜度区网格局部放大 图2模型网格 收稿日期：2003-10-24修回日期：2003-12-11 Fig.2 Mesh of the model 作者简介：吴迪平(1972一)，男，讲师，博士

第 2 7卷 第 1 期 2 0 0 5 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u rn al fo U n iv e r s iyt 0 f S c ic n c e a n d Tc c h n o l0 yg B e ij in g V b l 一 2 7 N o 一 l F e b 。 2 0 0 5 石油 套管螺纹联接仿真与接箍起始斜度优化 吴 迪 平 ” 减 勇 ” 秦 勤 ” 关 大新 ” 1)北京 科技大 学机 械 工 程学 院 , 北京 10 0 0 8 3 2) 天津市 无缝 钢管 厂 , 天津 3 0 0 2 20 摘 要 针 对 A IP S 牙 圆螺 纹石 油套 管接 头建 立 了轴 对称 有 限元分 析模 型 , 分 析 了机 紧状态 下不 同参 数接 头的 典型应 力 应变 及接 触行 为规 律 . 通 过对 接箍 起始 斜度 的优 化研 究 发现 , 接 箍最佳 起 始斜 度为 5 0 一 5 50 . 该 结 果成功 地应 用 于生 产实 际 . 关键 词 石油 套管 : 螺纹 ; 斜度 ; 有 限元 分类号 几 2 56 .9 套 管 接 箍 螺 纹 起 始 斜 度 是 套 管 接 头 的 重 要 参数 . 有 关 研 究和 实践 表 明 , 接 箍螺 纹 起 始 斜 度对 套 管 接 头接 触 状 态 和 使 用 性 能等 有 明显 影 响 〔卜31 . 对参 数 进 行研 究 , 可 为 标准 套 管 接 头 的结 构改 进和 使 用 、 新 型 接 头开 发 等提 供 理 论依 据 . 本 以 A P I S 牙 圆螺 纹套 管 接头 为对 象 , 计 算 分析 了不 同 接 箍螺 纹 起 始 斜 度 下接 头 螺 纹 的 接 触 状 态 、 应 力 分布 等 , 研 究 了它们 随接 箍螺 纹 起 始 斜度 的变 化规 律 , 并 讨 论接 箍螺 纹起始斜 度 对 接 头螺 纹粘 接 问题 的影 响 , 以期 提 出合 理 的接 箍 螺 纹起 始 角度 . (3 ) 接 头 机 紧状 态 的过 盈量 采 用 热膨 胀来 模 拟 . 这 里 认为 手紧状 态 下 啮合 区 管体 螺 纹与接 箍 螺 纹 牙形 侧 面之 间的 间隙 为 O , 则 机 紧三 圈条 件 下 的 过盈 量 的计 算 方法 如 下 : △D = s tn = 0 . 59 5 3 r n r Q , AR 一 琴 一 .02 97 ~ . 乙 其 中 , s 为 接头 锥度 , t 为 螺纹 螺距 , n 为机 紧 圈数 . 接 箍起 始 斜 度 为 2 5 “ 时 的模型 网格 如 图 2 所 示 . 建模 时管 体 及 接 箍 实体 部分 采 用 四 节 点二 维轴 对称 实 体 元构 建 , 接 触 区 采 用 二 维 面一 面接 触元 构建 . 材 料变 形遵 循 各 向同性 弹塑 性 变形 规 律 . 1 模型 的建 立 采 用 A N S Y S 大 型 综 合 有 限元 软 件 进 行 分 析 . 分析 对象 为 机 紧状 态下 的 片 、 .7 72 ~ N 80 , ” 1 8 牙 圆 螺纹 套 管接 头 . 其 结 构 和尺 寸 除接 箍 螺 纹起 始 斜度 外 , 完 全 符合 AP I 标准 AP sI P E c S C T 和 A IP S P E C S T D SB 的规 定 件,5] . 接 头 结构 和 几 何尺 寸 如 图 1 所 示 , 其 中a 为起 始斜 度 角 . 建模 过 程主 要 考 虑 了如 下 问题 : ( l) 套管 接 头螺纹 的升角 很小 , 对 接 头 内的应 力应 变等 参 数影 响很 小 . 考 虑到 分析 模 型的 实用 性 , 这 里 的计 算 分析 采 用轴 对 称模 型 进 行 . (2 ) 最后 一 圈 啮合 螺 纹 的啮 合情 况 和严 格 的 轴对 称 工 况是 有差 异 的 . 考 虑 到 这一 因 素 , 在 轴 对 称 模 型 时 取 最后 一 牙 的 接 触 区 长度 为 实 际 最 后 一圈 啮 合螺 纹接 触 区 的平 均长 度 . 收稿 日期 : 20 0 3 一 l仁2 4 修 回 日期 : 2 00 3 一 12 一 11 作者简 介 : 吴迪平 ( 19 7 2一) , 男 , 讲师 , 博 士 一 对欢而 一 」 垃兹 1气厂以丫护 , 、 、 八 、 八户了了叭妙 乃 ~ 篱誉 图 1 接 头结 构尺 寸图 (单位 : m m ) F i g . l St r u e tU re a n d d i m e o s ot n o f ht e e o u P iln g · U n it : m m (a) 整体模型网格 (b )起始斜度区网格局部放大 图 2 模型 网格 Fig · 2 M es h o f ht e m o d e l DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 01. 027

106 北京科技大学学报 2005年第1期 2应力应变分析 以拉应力为主的内应力：而管子则受外压内缩， 产生以压应力为主的内应力.接头结构的变形亦 以接箍起始斜度25°时为典型对象分析结构 表现为啮合区接箍的外胀变形与管体的内缩变 的应力、应变及接触区接触压力的一般规律， 形（图4）. 图3所示为机紧状态下接头结构的应力计算结 果，可见： (1)从整体上讲，管体的等效应力水平较接箍 的应力水平更高，啮合区管体大部分区域的应力 水平处于433~458MPa之间，而接箍大部分区域 图4机紧状态下接箍变形示意图 的应力水平均在433MPa以下，由于接箍起始斜 Fig.4 Sketch map of displacement when the coupling is 度的存在，接箍端部的第一螺纹的牙形不完整， screwed down by machine 存在着较大的接触应力和应力集中，使其等效应 啮合区螺牙接触面的压力情况如图5所示， 力值达到全局的最大值458MPa. 可见： (2)模型的第一主应力整体上表现为接箍部 (1)啮合螺牙接触面的压力大小沿轴线方向 分全部为正值，说明接箍整体受拉，第一主应力 呈两头大中间小的分布规律，管体螺纹端部最后 最大值出现部位为接箍螺纹结束处的接箍外表 一牙的接触压力为263MPa,接箍螺纹端部最后 面，应力水平为510MPa. 一 牙的接触压力达810MPa,而啮合区中部的接 (3)整体模型的第三主应力表现为管体部分 触压力仅132MPa左右. 绝大部分区域为负值，说明管体整体受压，管体 (2)啮合区两头的螺纹螺牙两侧的接触压力 螺纹端部的第三主应力水平最大达-667MPa. 分布存在明显的不对称性，对接箍而言，靠近啮 总结以上规律可以看出，在接头上紧之后， 合区中部的螺牙面的接触压力较大，远离啮合区 管体和接箍间产生过盈.接箍受内压外涨，产生 中部的螺牙面的接触压力较小.随着螺牙位置向 (a)等效应力 D E F GH HGFE 啮合区中部的不断靠近，啮合螺纹螺牙两侧的接 接箍 触压力值变小，并逐渐趋于对称. 套管 图6所示为机紧状态下接头结构的等效塑性 IHGFE DC 变形分布图.可见，机紧状态下接头管体啮合区 A=33 C=133 E=233G=3331-433 均进入了塑性状态，且越靠近接箍中心，管体塑 B=83 D=183 F=283H=383SMDX-458 b)第一主应力 G 接箍 了 图5啮合区螺牙接触压力 E D DE D Fig.5 Contact pressure between teeth within the coupling A=-239 C=-63E=113 G=289-466 region B=-151 D=25F=201H=378 SMX=510 (c)第三主应力 接箍 et 4 MAAMMMyv DeAA餐AA的 H 要管 EFG CBA D C A=0.000873C=0.004367E-0.007860G=0.011354 SMX=-667B=-546D=-384F=-222H=-60 B=0.002620D=0.006114F=0.009607H-0.013101 A=-626 C=-466E=-303G=-1411-20 1=0.014847 SMX-0.015721 图3接箍起始斜度为25°时的应力Pm) 图6机紧状态下接头的等效塑性应变 Fig.3 Stress distribution when the pitch of the hoop is 25 Fig.6 von Mises plastic strain distribution of the coupling Unit:MPa when it is screwed down by machine

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 1期 2 应 力应 变分 析 以接箍 起 始斜度 2 50 时 为典 型对象分析 结 构 的应 力 、 应 变 及 接 触 区接 触 压 力 的一 般 规 律 . 图 3所 示 为 机 紧 状 态 下 接头 结构 的应 力 计算 结 果 , 可见 : ( l) 从 整体 上讲 , 管 体 的等 效应 力水 平较 接 箍 的应 力 水平 更 高 , 啮合 区管 体大 部 分 区 域 的应 力 水平 处 于 4 3 3~4 58 M P a 之 间 , 而接 箍 大部 分 区 域 的应 力 水平 均 在 4 3 M P a 以下 . 由于接箍起始斜 度 的存 在 , 接 箍 端 部 的第 一 螺纹 的 牙 形不 完整 , 存在 着较 大 的接触 应 力和 应 力集 中 , 使其等 效应 力值 达到全 局 的 最大 值 4 58 M P a . (2 ) 模 型 的第 一主 应 力整 体 上 表现 为接 箍 部 分全 部 为 正值 , 说 明接 箍整 体 受 拉 . 第 一 主应 力 最大 值 出现 部位 为接 箍 螺 纹 结 束 处 的接箍 外 表 面 , 应 力水 平 为 s l0 M P a · (3 ) 整体 模 型 的第 三 主应 力表现 为 管体部 分 绝 大 部 分 区 域 为 负值 , 说 明管 体 整体 受 压 , 管 体 螺 纹 端 部 的第 三主 应 力 水平 最 大达 一 6 67 M P a . 总结 以上 规 律 可 以看 出 , 在 接 头上 紧之 后 , 管体 和接箍 间 产 生过 盈 . 接 箍 受 内压 外 涨 , 产 生 (a) 等效应力 D E F G H H G r E 以拉 应 力 为主 的 内应 力 ; 而管 子 则受 外 压 内缩 , 产 生 以压 应 力为 主的 内应 力 . 接头结 构 的变 形亦 表 现为 啮 合 区接 箍 的外 胀 变形 与 管 体的 内缩 变 形 ( 图 4) . 图 4 机 紧状态 下接艳 变形 示意 图 F 落4 S ke t e卜 m a p o f d is P肠c e . e . t w 卜肠 伪 e c o u p血9 15 即 r . 片 ed d o w n by 皿ac 创恤e I H G F E D C A = 3 3 C = 1 3 3 E = 2 3 3 G = 3 3 3 1 = 4 3 3 B = 8 3 D = 1 8 3 F = 2 8 3 H = 3 8 3 S M X = 4 5 8 啮合 区螺 牙接 触 面 的压 力 情 况 如 图 5 所 示 , 可 见 : ( l) 啮 合螺 牙 接 触 面 的压 力大 小沿 轴线 方 向 呈两 头大 中间小 的分 布 规律 . 管体 螺纹 端 部最 后 一牙 的接 触 压 力 为 2 63 M P a , 接箍 螺 纹端 部 最 后 一牙 的接 触 压 力 达 81 0 M P a , 而啮 合 区 中部 的接 触 压 力 仅 132 M P a 左 右 . (2 ) 啮合 区 两 头 的螺 纹螺牙 两 侧 的接 触 压 力 分布 存在 明显 的 不对 称 性 . 对接箍 而 言 , 靠 近 啮 合 区中部 的螺牙 面 的接触 压 力较大 , 远 离啮合 区 中部 的螺 牙 面 的接触 压 力较 小 . 随 着螺 牙位 置 向 啮合 区 中部 的不 断靠 近 , 啮合螺 纹 螺牙 两侧 的接 触 压 力值 变 小 , 并逐 渐 趋于对 称 . 图 6 所 示 为机紧状态 下接 头结 构 的等 效塑 性 变 形 分布 图 . 可 见 , 机 紧状态 下接 头 管体 啮合 区 均 进 入 了 塑性 状态 , 且越靠 近接箍 中心 , 管体 塑 山) 第一主应 力 口 A = 一 2 39 B = 一 1 5 1 C = 一 6 3 D = 25 E = 1 13 F= 2 0 1 G = 2 89 H = 3 78 1 = 4 66 S M X = 5 1 0 图 S 啮合 区姗 牙接触压 力 Fi g . 5 C o n t a ct p esr su 比 b吧七曰e n et e t血 , 由 h恤 t加 co uP ha g 邝邵 o n c( ) 第三主应力 SM X = 一 6 67 B = 一 5 46 A= 一 6 2 6 C 二一 4 6 6 D= 一 3 84 F二一 22 2 H二 一 6 0 E = 一 3 0 3 G= 一 14 1 1 = 2 0 E F G F E D C B A A= 0 . 0 00 87 3 C = 0 . 00 4 3 6 7 E二 0 . 0 0 7 86 0 G= 0 . 0 1 1 3 5 4 B = 0 . 0 0 2 62 0 D = 0 . 0 0 6 114 F = l) . 0 0 9 6 0 7 H = 0 . 0 13 10 1 矜 0 0 14 84 7 S MX 司 , 0 15 7 2 1 图 3 接摘 起始 斜度 为 2宁时 的应 力(M田 a) F 哈3 S t 比胭 ids itr b u ito n w h . 比e P it c 卜o f th e h o oP is 2 5 o · U n i t : M P a 图 6 机 紧状 态下 接 头 的等效 塑性应 变 F 褚 · 6 vo n M is es P 】a . 血 时 r a 加 d 坛t ir b . ito . o f th e e o u p 血g w b e n i t is , e邝 w de d o , 甲. 勿 . a e 血恤 e

VoL.27 No.1 吴迪平等：石油套管螺纹联接仿真与接箍起始斜度优化 ·107 1.4 性变形量越大.而接箍则只在端部起始斜度附近 .25 区域小范围地发生了塑性变形.显然塑性变形分 1.0 布区域与等效应力分布规律相符. 胸0.8 06 0.4 3接箍起始斜度优化 斗 0.2 0.0 3.1起始斜度对啮合状态的影响 0 50 100150200 250300350 相位角() 从前面的分析可知，由于接箍起始斜度的大 图8最后一圈接触面平均长度的求取 小会影响到最末几个啮合螺牙的啮合情况，影响 Fig.8 Calculation of the mean contact length in the last 该区域的应力应变水平和分布规律，而该区域为 loop 接头结构等效应力最高区域.所以，接箍起始斜 度的合理选取会直接影响接头装配过程的粘结 1.2 情况，从而影响接头结构的使用寿命. 1.1 现保持其他条件不变，以5°为间距在2060° 1.0 ww/ 范围内变化接箍起始斜度并分别建模计算，研究 0.9 0.8 起始斜度的变化对接头联接状态的影响规律，并 寻找最佳起始斜度值. 0.7 0.6 不同接箍起始斜度条件下最后一圈螺牙 0.5 接触面的平均长度可用作图法来求得，首先，如 图7所示，在轴对称模型内最后一齿接触区的长 20 304050 60 接箍起始斜度/() 度L可以从模型上量得.然后，针对一定的接箍起 图9起始斜度对最后一圈螺牙接触面平均长度影响 始斜度，在0-360°范围内以45°为间隔分别建立 Fig.9 Effect of end pitch on the mean contact length in the 轴对称几何模型，即可获得轴对称模型最后一齿 last loop 接触长度随相位角的变化情况.利用如图8所示 1000 ■最高等效应力 的作图法可求出最后一圈的最大接触长度L, 6800 ·最高等效塑性应变 则最后一圈接触面的平均长度为： 0口最高接触压力 =空 600 图9所示为接箍起始斜度对最后一圈啮合 400 0 螺纹平均接触区长度的影响情况.可见，最后一 图200 圈接触区平均长度随接箍起始斜度的增大而增 大，并呈近似抛物线变化规律. 0 20 304050 60 图10所示为起始斜度对接头最高等效应力 接箍起始斜度) 水平、最高等效塑性应变以及最高接触压力大小 图10起始斜度对应力、应变及接触状态的影响 的影响情况.可见：(I)接头的最大等效应力水平 Fig.10 Effect of end piteh on the stress-strain distribution 随接箍起始斜度的增大首先略有上升，当接箍起 and contact behavior 始斜度从20°增大到30°时，接头的等效应力水平 后，在接箍起始斜度从50°增大到60°的过程中， 从481MPa增大到504MPa:但随着接箍起始斜度 接头的等效应力水平又略有回升， 的进一步增大，接头的等效应力水平开始下降， (2)接头的等效塑性应变随接箍起始斜度的 当接箍起始斜度为50°时达到最小值455MPa:最 增大亦呈现先增大后减小，然后又略有回升的变 化规律.当接箍起始斜度从20°增大到30°时，接 头的等效塑性应变从0.0151增大到0.0221：随着 接箍起始斜度的进一步增大，接头的等效塑性应 变开始逐渐减小，当接箍起始斜度增大到50°时， 图7轴对称模型中最后一齿的接触长度 接头的等效塑性应变达到最低点0.0094：最后当 Fig.7 Contact length of the last tooth in the model 接箍起始斜度从50°进一步增大到60°时，接头的

V b l . 2 7 N o . l 吴迪 平 等 : 石油 套管 螺纹 联接 仿宾 与接 箍起 始斜 度优 化 4 `,0R6 `,0 l-x 八U 00 侧事卿、阵已日 性变 形量 越 大 . 而接 箍则 只在 端 部起 始斜度 附近 区 域 小范 围地发 生 了塑性 变形 . 显然 塑性 变 形分 布 区域 与等 效 应 力分 布 规律 相 符 . 恤一, ù 一L L E 一 3 接 箍 起 始 斜度优化 .3 1 起始 斜 度 对 啮合 状 态 的影 响 从前 面 的分 析可 知 , 由于接 箍 起 始斜 度 的大 小会 影 响到最 末 几个 啮合 螺牙 的啮合 情况 , 影 响 该 区域 的应 力应 变水 平和 分 布规 律 , 而 该区 域 为 接 头结 构等效 应 力最 高 区 域 . 所 以 , 接 箍 起 始斜 度 的合 理 选 取 会 直接 影 响接 头 装 配 过 程 的粘 结 情况 , 从 而影 响 接头 结 构 的使 用 寿命 . 现 保 持其 他 条件 不 变 , 以 5o 为 间距 在 20 一 6 0 范 围 内变 化接 箍起 始 斜度 并 分别 建模 计算 , 研 究 起 始 斜度 的变化 对接 头联 接状 态 的影 响规 律 , 并 寻 找最 佳起 始 斜 度值 . 不 同 接 箍 起 始 斜 度 条 件 下 最 后 一 圈 螺 牙 接触 面 的 平均 长度 可 用 作 图法 来 求得 . 首 先 , 如 图 7 所示 , 在 轴 对 称模 型 内最 后 一 齿接 触 区 的长 度L 可 以从模 型上量 得 . 然后 , 针对 一定 的接 箍起 始斜 度 , 在 O一 3 60 “ 范 围 内 以 45 “ 为 间 隔分 别 建 立 轴对 称几 何模 型 , 即可 获得 轴对 称模 型 最后 一 齿 接触 长度 随相 位 角 的变化 情 况 . 利 用如 图 8 所 示 的 作 图法 可 求 出最 后 一 圈 的最 大 接 触 长 度 L ~ , 则最 后 一 圈接触 面 的平 均 长度 为 : 0 5 0 10 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 相位角/ ( o ) 图 8 最后 一 圈接触 面平 均长 度 的求取 F ig . 8 C a l c u l a iot n o f t h e m e a o e o n at c t l e n g th in t h e al s t 1 0 0 P 山, l 八UC,R ù丈,了Uó f ù 0011 nU 侧率ù日除日日 2 0 3 0 4 0 5 0 60 接箍起始斜度 o(/ ) 图 , 起 始斜 度对 最后 一 圈螺 牙接触 面平 均长 度影 响 Fig . 9 E cf e t o f e n d p iet 卜 o n th e m e a n e o n t a e t l e n gt b in t h e l a s t l o o P 1 0 0 0 · 最高等效应力 · 最高等效塑性应变 口 最高接触压力 0on 426R00 下承只。ū侧ó咬侧袱 L里勺乙 一 L m 一 图 9 所 示 为接 箍起 始 斜度 对最 后 一 圈 啮合 螺纹 平 均 接触 区 长度 的影 响情 况 . 可 见 , 最 后 一 圈 接触 区 平 均 长 度 随接 箍 起 始 斜 度 的 增 大而 增 大 , 并 呈 近似 抛 物线 变 化 规律 . 图 10 所 示 为起 始 斜度 对 接 头 最 高等 效应 力 水平 、 最高 等效 塑性 应变 以及 最 高接 触压 力 大 小 的影 响情 况 . 可见 : ( l) 接 头 的最 大 等 效应 力 水平 随接 箍起 始 斜度 的增 大 首先 略有 上升 , 当接 箍起 始斜 度 从 加 “ 增大 到 3 0 时 , 接 头 的等 效 应力 水平 从 4 81 M P a 增 大到 5 0 4 M P a ; 但 随着 接 箍起 始斜 度 的进 一 步 增大 , 接 头 的等 效 应力 水 平 开始 下 降 , 当接 箍起 始 斜度 为 5 0 时达 到最 小 值 4 5 M P a ; 最 0 匕一一止一一一一一一 J 一一一一一 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 接箍起始斜度(/ o) 图 10 起 始斜度 对应 力 、 应变 及接 触状 态 的影 响 F 啥 . 1 0 E fe e t o f e n d P :it 盔 o n t h e s t er s s 一 s t r a in d is t ir b u iot n a n d e o n 妞 e t b e h a v io r 图 7 轴 对称 模型 中最 后一 齿 的接触 长度 iF g . 7 C o n at e t l e n gl h o f ht e I a s t ot o 比 in t h e m o d e l 后 , 在接 箍 起 始斜 度 从 5 0 增大 到 6 0 的过程 中 , 接 头 的等 效应 力水 平 又 略有 回 升 . (2 ) 接 头 的等效 塑 性应 变 随 接箍 起 始斜 度 的 增大亦 呈 现先 增 大后减 小 , 然 后又 略有 回 升的变 化规 律 . 当接 箍起 始斜度 从 2 0 增 大 到 30 “ 时 , 接 头 的等效 塑 性应 变 从 .0 0 15 1增 大 到 .0 02 1 ; 随着 接 箍起 始 斜度 的进 一步 增 大 , 接 头 的等 效塑 性应 变 开始 逐 渐减 小 , 当接箍起 始斜 度增 大 到 5 0 时 , 接头 的等 效 塑性 应变 达 到最 低 点 .0 009 4 ; 最 后 当 接 箍起 始斜 度 从 5 0 进 一步增 大 到 6 0 时 , 接 头的

·108* 北京科技大学学报 2005年第1期 等效塑性应变又有所回升，达0.0109. 触压力、改善粘结问题以及使整个接头尽量工作 (3)接头最高接触压力随接箍起始斜度的增 在较低的应力水平出发，接箍最佳起始斜度应为 大呈现出明显的减小趋势.当接箍起始斜度从 5055°.利用本研究结果，生产商在生成过程中 20°增大到60°时，接触压力从881Ma减小到432 对接箍的起始斜度进行了调整.经使用后发现， Pa,减小幅度达51%，且变化速度存在先快后 接箍起始斜度调整以后，螺纹粘结问题得到了明 慢的规律，显然，这是由于接触压力与接触面积 显改善， 之间存在反比关系造成的. 31最佳接箍起始斜度的确定 4结论 接头螺纹的粘结主要由螺纹接触面接触压 针对API8牙圆螺纹套管接头建立了轴对称 力决定，接触压力越大，粘接现象发生的可能性 有限元模型，分析了机紧状态下接头典型应力应 就越大刃.所以，从解决接头螺纹粘接问题出发， 变及接触行为规律通过.对接箍起始斜度的优化 最佳接箍起始斜度应该有利于降低螺纹接触面 研究发现，接箍最佳起始斜度应为50-55°，该结 的接触压力 果成功地应用于生产实际， 另外，接头螺纹接触压力最大的区域为啮合 区两头的最后一圈螺纹，而接箍起始斜度的变化 参考文献 主要影响接箍端部螺纹最后一圈受力螺纹牙的 [1]Wang L,Zang Y,Chen Z N,et al.Modal analysis of thread off 应力、应变及接触压力，对啮合区大部分区域的 failure ofoil round thread casing connection.JUniv Sel Tecbnol Beijing,2001,8(4:271 应力、应变及接触压力状态影响甚微.所以，研究 [2]藏勇.拉伸载荷作用下的套管接头的特性分析.北京科技 接箍最佳起始斜度应主要考虑有利于降低接箍 大学学报，1997,19（增刊）：6 端部螺纹最后一圈螺纹接触面的接触压力，同时 [3]戴勇，油套管抗挤毁性能的初始后屈曲理论分析.北京科 兼顾接头的整体应力水平及塑性变形水平， 技大学学报，1997,19(3：291 [4]American Petroleum Institute.API STD 5B Specification for 由图10可知，接头最大接触压力随接箍起始 Threading,Casing,and Thread Inspection of Casing.Tubing, 斜度的增大而减小，变化速度上存在先快后慢的 and Line Pipe Threads.Fourteenth Edition.USA API,1996 变化规律，这说明从减小接触压力角度讲，接箍 [5]American Petroleum Institute.API SPEC 5CT Specification for 起始斜度越大越好，但当起始斜度增大到一定程 Casing and Tubing.Sixth Edition.USA API,1998 [)张毅，王长安，韩勇.API8牙圆螺纹公差与上扣扭矩的试 度以后，起始斜度的进一步增大对改善接触压力 验选择.焊管，1998,20(4：18 的效果将不再明显， [刀刘玉文，王治国黄子阳，圆螺纹油管接头齿面接触应力 考虑到起始斜度为50°时等效应力水平、塑 与粘扣分析.宝钢技术，19992：33 性变形程度同为最低，所以，从有效降低接头接 Simulation of casing connection and optimization on end pitch of coupling WU Diping",ZANG Yong",OINOin,GUAN Daxin 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Tianjin Municipal Seamless Steel Tube Plant,Tianjin 300220,China ABSTRACT An axial symmetric FEM model is established for API 8 tooth round thread casing connection.The contact behavior and stress-strain distribution in the connection area are analyzed when the connection is screwed down by machine,especially under different end pitch values.Through investigating the effect of end pitch,it is proposed that the best pitch of the hoop should be 50-55.This result has been successfully used in practice. KEY WORDS casing connection;round thread;end pitch;FEM

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 一期 等效塑 性 应变 又 有所 回升 , 达 .0 0 10 9 . (3 ) 接 头最 高 接触 压 力 随接 箍 起始 斜 度的增 大 呈现 出 明显 的减 小趋 势 . 当接 箍起 始斜 度 从 2 0 0增 大 到 6 0 0 时 , 接触 压 力从 8 8 l M P a 减 小 到 4 3 2 M P a , 减 小 幅度 达 51 % , 且变化 速 度存 在 先快后 慢 的规 律 . 显然 , 这 是 由于接 触 压 力 与接触 面积 之 间存 在 反 比 关 系造 成 的 . .3 2 最 佳接 箍 起始斜度的确 定 接 头 螺 纹 的粘 结 主 要 由螺 纹 接 触 面 接 触 压 力 决定 , 接 触 压 力越大 , 粘接现 象 发 生 的可 能性 就越 大伟,7] . 所 以 , 从 解 决接 头螺 纹粘 接 问题 出发 , 最佳 接 箍 起 始 斜度 应 该有 利 于 降低 螺 纹接 触 面 的接 触 压 力 . 另外 , 接 头 螺纹 接触 压 力最 大 的区 域 为 啮合 区 两 头 的最后 一 圈螺 纹 , 而接箍起 始 斜度 的变 化 主要 影 响 接 箍 端 部螺 纹 最 后 一 圈 受 力螺 纹 牙 的 应力 、 应变 及 接 触压 力 , 对 啮合 区 大部 分 区域 的 应力 、 应 变及 接触 压 力状 态影 响甚 微 . 所 以 , 研 究 接 箍 最 佳 起 始 斜 度 应 主要 考 虑 有 利 于 降低 接 箍 端部 螺纹 最后 一 圈螺 纹接 触面 的接触 压 力 , 同时 兼顾 接头 的整 体应 力 水 平及 塑 性变 形 水 平 . 由图 10 可知 , 接 头 最大 接触 压 力随接 箍起 始 斜度 的增 大而 减 小 , 变 化速度 上 存在 先 快后 慢 的 变化 规 律 . 这 说 明 从减 小接触 压 力 角度 讲 , 接 箍 起始 斜度 越 大越 好 . 但 当起 始斜 度增 大 到一 定程 度 以后 , 起 始斜度 的进一 步增 大对 改善接 触压 力 的 效果 将 不再 明显 . 考虑 到 起始 斜 度 为 50 时等 效 应力 水 平 、 塑 性 变形 程 度 同 为最低 , 所 以 , 从 有 效 降低 接 头接 触压 力 、 改 善粘结 问题 以及使 整个 接头尽 量工 作 在较低 的应 力水 平 出发 , 接箍 最佳 起始斜 度应 为 50一 5 50 . 利 用 本研 究 结 果 , 生 产 商在 生 成过 程 中 对接 箍 的起 始 斜 度进 行 了调整 . 经 使 用 后发 现 , 接箍起 始 斜 度调 整 以后 , 螺纹粘结 问题 得 到 了 明 显 改善 . 4 结 论 针 对 A P IS 牙 圆 螺纹 套管接头 建 立 了轴对 称 有 限元模型 , 分 析 了机 紧状 态下 接头 典型 应力 应 变及 接触 行 为规 律通 过 , 对 接 箍起 始斜 度 的优 化 研 究发 现 , 接 箍最 佳 起始斜度 应 为 50 一5 50 . 该 结 果成 功 地应 用 于 生产 实 际 . 参 考 文 献 [ l ] W匆, g L , z aD g Y, C h en Z N , et ia . M od ia an a ly s i s o f d 止 e ad o f 加1叨陌 o f o il r o nU d ht re ad e as in g c o n n e tC ion J U . 钾 S c i T 阮h n ol B iej 加9, 2 0 0 1 , 8 ( 4 ) : 2 7 1 【2] 减勇 . 拉伸载 荷作 用 下的套 管接 头的特性 分析 . 北 京科 技 大 学学 报 , 19 9 7 , 19 (增刊 ) : 6 3[ ] 减勇 , 油套管抗挤 毁性 能 的初始 后屈 曲理 论分 析 . 北京 科 技 大学 学报 , 19 9 7 , 1 9 ( 3 ) : 2 9 1 [ 4] A m e ir e an P e tr 0 1 e侧 m 】ns tin n e . A卫I S T D SB S eP c iif e a tion ofr T b 闰 ad ign , C as 吨 , an d l飞甘 e ad nsI pe e t i o n of C as 吨 , uT b ign , an d L ine P ipe 1 1业 e . d s . F o 让 rt e 目ht E山 t i o n . U S A A P I , 19 9 6 〔5 ] A m e ir c an P心汀o 】. 切m il ” t i奴lt e . AP I S P E C SC T S eP c iif c at i 0 O for C as 吨 助d uT b ing . S 认 th E idt ion . U S A A 夕I , 19 98 6[] 张毅 , 王长 安 , 韩勇 . 八夕18 牙 圆螺纹 公差 与上 扣扭 矩 的试 验 选择 . 焊管 , 19 9 8 , 2 0 ( 4 ) : 18 7[] 刘 玉文 , 王 治 国 . 黄 子 阳 . 圆螺 纹油 管接 头齿 面接 触应 力 与 粘扣 分析 . 宝 钢技 术 , 19 99 ( 2) : 3 S i mu lat i o n o f c a s ign e o n e e ti o n an d op t im i z at i o n o n e n d P it e h o f e o uP lin g 尸 U D IP ign ,气2 月N G oY gn , ), QNI Qiln 几 G UA N D ax inz , 1 ) M e c h an i e al nE g in e e inr g S c h o l , U n i v e sr iyt o f s c i e n c e an d 介 e hn o l o g y B e ij 川 g , B e ij ing l 0 0 0 83 , C h i n a 2 ) iT anj in M un i c iPia S e am l e s s S 仍e l uT b e P I助` iT 咧in 3 0 02 2 0 , C h il , a A B S T R A C T A n ax i a l s y m m e侧 e F EM m o d e l 1 5 e st ab il hs e d for A PI 8 t o o th r o un d t hr e ad c as ign c o uen e it on . hT e e o ln at c t b e h a v i o r an d s etr s s 一 s tr aj nL id s itr b ut ion in ht e e o n n e e it on aer a aer an a l y z e d w h en het e o n n e ict on 1 5 s e er we d d o wn b y m a c h i n e , e s P e e i al ly un d e r id fe r e n t en d Pict h v a lue s . 们恤皿沙 访v e ist g iat n g ht e e fe e t o f en d P ict 玩 it 1 5 p r o P o s de ht at het b e st Pit c h o f het h o 叩 s h o ul d b e s伽 5 5 0 . T h i s r e s u lt h as b e en csu e e s s甸ly us e d in P r aC t i c e · K E Y W O R D S c as ign co lm ce it on ; r o un d thr e ad ; 。 d p ict ;h FE M