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