D0I:10.13374/j.iss1001-053x.2001.02.011 第23卷第2期 北京科技大学学报 Vol.23 No.2 2001年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2001 套管接头螺纹滑脱失效有限元模拟 王琍)陈兆能》 佟德纯)邹家祥2)臧勇2) 1)上海交通大学，上海2000302H北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要'套管螺纹接头必须满足结构完整性，用能考虑螺纹接触边界存在大变形和大滑移条 件的有限元程序，对套管螺纹接头滑脱失效影响参数进行了有限元模拟.模拟结果表明：螺纹 锥度大小对滑脱影响很小，材料性能对滑脱影响最大；滑脱的开始位置在接箍的端部.模拟结 果与实际情况相吻合. 关键词套管接头；滑脱失效；有限元模拟 分类号TH871 油田固井时，套管柱被悬挂在几千米深度 的油井中，每个接头都必须承受下面悬挂着的 套管柱的质量，因此，接头高抗拉强度是保证套 管柱结构完整性的重要性能要求之一·本文应 a 用有限元方法，对影响套管接头滑脱破坏的主 图1拉伸试件示意图 要因素进行了模拟，模拟结果对全面分析研究 Fig.I The sketch map of tensile testing sample 套管螺纹接头抗滑脱性能有参考价值. 800 600 1套管材料的拉伸实验 6 400 材料拉伸实验的目的是为有限元模拟提供 200 应力一应变曲线.拉伸实验试件选用钢级为J55 0 的套管，试件通过磨削做成如图1所示的板形 02 4681013 状，在MTS(Material Test System)材料实验机上 e/% 进行拉伸实验.试件的尺寸参数见表1，h为试 围2拉伸应力一应变曲线 样厚度，拉伸实验结果见表2，应力一应变曲线 Fig.2 The curve of strese and strain under tensile load 见图2. 从表2中的实验结果可知，套管的屈服强 度、抗拉强度和延伸率都满足API SPEC5CT标 表1试样几何尺寸 准.由于3组材料的拉伸应力一应变曲线变化 Teble 1 The dimension of testing sample 的m 基本一致，说明套管材料的性能稳定.因此，可 编号 a b d h 1 301 38 25.57 108 4.07 以取任意一组应力一应变曲线，作为模拟滑脱 2 296 38 25.47 108 4.06 时考虑塑性强化的变化规律 3 299 38.925.5 110 4.58 表2管体材料力学性能 2套管接头滑脱失效的有限元模拟 Teble 2 The mechanical properties of pipe body material 在建立有限元模型结构时，由于螺纹升角 编号 o./MPa /MPa 6/% 很小，故可忽略升角的影响，作为轴对称问题来 1 439 708 24.2 处理.建立好的模型共划分单元3130个，其中， 2 442 704 25.2 二维固体轴对称单元2919个，二维接触单元211 3 432 701 25.6 个；节点总数为3362个.有限元分析软件采用 收稿日期2000-0904王琍男，37岁，副教授 ★国家重点技术开发项目0No.94-04-02-02-04) ADNA通过有限元模拟计算，求解了在标准几3 第 卷 第 期 2 2 1 4 0 年 月 2 北 京 科 技 大 学 学 报 J O u r n a l o n v f U i e 卿 s r o f S c i n e e c n a l d 艳 c h n o f o y g B e j i n g i M 1 】 . 3 0 2 N . 2 A P r . 1 0 2 套管接头螺纹滑脱失效有 限元模拟 王 俐 ” 陈兆 能 ” 体德纯 ” 邹家祥 ” 减 勇 ” 1 比海交通大学 , 上海 20 0 0 30 2 )北京科技大学机械工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 套管螺纹 接头必须满 足结构完整性 ,用能 考虑 螺纹 接触边界存在大 变形 和大滑移条 件 的有 限元程序 , 对套管螺 纹接头滑脱失效影 响参数进行 了有 限元模拟 . 模拟 结果表明 : 螺纹 锥度 大小对滑脱影响很小 , 材 料性 能对滑脱影 响最大 ; 滑脱的开始 位置 在接箍的端部 . 模拟结 果与实 际情 况相 吻合 . 关扭词 套管接头 ; 滑脱失效 ; 有 限元模拟 分类号 T H 871 油 田 固井时 , 套管柱被悬挂在几千米深度 的油井 中 , 每个接 头都必须承受下面悬挂着 的 套管柱 的质量 , 因此 , 接头高抗拉强度是保证套 管柱结构完整性 的重要性 能要求之一 本 文应 用有限元方法 , 对影响套管接头滑脱破坏 的主 要 因素进行 了模拟 , 模拟结果对全 面分析研究 套管螺纹接头抗滑脱 性能有参考价值 . 圈 1 拉伸试件示 意 圈 瑰 · I T缺 s ke 抚 h . a P of et . s业 t e s tin g s a m P l e 00 只U了04 `, 1 套管材料的拉伸实验 材料拉 伸实验 的 目的是为有 限元模拟提供 应力一 应变 曲线 . 拉伸实验试件选 用钢级为 J5 的套管 , 试件通过磨 削做成 如图 1 所 示的板形 状 , 在 M T s( M at ier al eT st sy s t e m )材 料实验机上 进行拉伸实验 . 试件 的尺寸参数见表 1 , h 为试 样厚度 , 拉伸实验结果见表 2 , 应力一应变 曲线 见 图 .2 馨 厂丫- 表 l 试样几 何尺 寸 eT bl e 1 T h e d恤 e n s ot n o f t e s it . g s a m P 卜 编号 a b c d h 1 30 1 3 8 2 5 . 57 10 8 4 . 0 7 2 29 6 38 2 5 . 4 7 108 4 . 06 3 29 9 38 . 9 2 5 . 5 110 4 . 5 8 表 2 管体材 料力学 性能 eT b le 2 hT e m e e h a n ic a l p or eP 币e s o f p ieP t) o dy m a t e血 l 编号 氏 / M P a 饥 / M P a j 月吩 1 43 9 708 24 . 2 2 44 2 7 04 2 5 . 2 3 43 2 7 0 1 2 5 . 6 二二二二 二二二二巴二二二二 二二二 收稿日期 20 0吞 -() 9刁4 王 痢 男 , 37 岁 , 副教授 * 国家重点 技术开 发项 目伽 。 . 94 一 4 一 0 2 一 02 -0 4 ) 召 / % 圈 2 拉伸应 力一应 变 曲线 F啥 . 2 T h e e u vr e o f s lt , , e a n d s t r a in u n d e r t e n s i le ol a d 从表 2 中的实验结果 可知 , 套管 的屈服强 度 、 抗拉强度 和延 伸率都满足 ” I s P E c s c T 标 准 . 由于 3 组材料 的拉 伸应力一应变 曲线变化 基本一致 , 说明套管材料 的性 能稳定 . 因此 , 可 以取任意一组 应力一应变 曲线 , 作为模 拟滑脱 时考虑 塑性 强化 的变化规律 . 2 套管接头滑脱失效的有限元模拟 在建立有 限元模型结构 时 , 由于螺 纹升角 很小 , 故可忽略升角 的影响 , 作为轴对称 问题来 处理 . 建立好 的模型 共划分单元 3 1 30 个 , 其 中 , 二维 固体轴对称单元 2 91 9 个 , 二维接触单元 Z n 个 ; 节点 总数 为 3 3 62 个 . 有 限元分 析软件采用 A D 刀闷A . 通过有 限元模拟计算 , 求解 了在标准几 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 02. 011