D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2011.08.00B 第33卷第9期 北京科技大学学报 Vol 33 No 9 2011年9月 Journal of Un iversity of Science and Techno lgy Beijing Sep 2011 特殊螺纹套管接头连接性能的安全可靠性分析 许志倩)间相祯*杨秀娟) 1)中国石油大学机电工程学院，东营2570612)中国石油大学储运与建筑工程学院，东营257061 *通信作者，Email yanxz@163.cm 摘要建立套管接头内，外螺纹牙啮合物理力学模型，依据螺纹啮合对变形协调方程和单个螺纹牙轴向弹性变形分析，推 导出套管接头螺纹牙承载分布不均性规律及其法向接触力计算方程组，并利用有限元计算结果验证了螺纹牙受力解析值的 可参考性。结合弹性力学理论和AP偏梯形螺纹计算准则，根据可靠度理论建立特殊螺纹套管接头三种连接失效形式的极限 状态方程，利用M onte Carlo方法对服从正态分布的螺纹各项加工参数进行抽样，统计得出套管接头发生连接失效的概率及其 相应可靠度·计算结果表明：特殊螺纹套管接头各连接失效形式的可靠度由大到小排序为螺纹跳扣>管体屈服>螺纹牙剪 切接头抗拉 关键词油井套管：接头；特殊螺纹；连接性能：可靠性分析：M onte Carlo方法 分类号TE931t.2 Safety reliability ana lysis of connection capability of nonAPI casing connection jo in ts XU Zhiqian,YAN Xiang hen,YANG Xiu-jan?) 1)Colkge of Mechanical and Elctronic Engneering China University of Petmleun.Dongyng 257061.Chna 2)Colkge of Pipeline and Civil Engineering China University of Petmleum.Dongying 257061.Chna Corresponding au thor E mail yanx@163.com ABSTRACT A physicalmechanicalmodel of casing connetion joints was bulit for the prem im thread and then the axial defomation of a single thread tooth was analyzed Acconing to the defomation compatibility equation ofmeshing thread teeth a set of equations for cakulating the contact stress of the casing thread were deduced Then the inhanogeneous stress distrbution of the casing thread was obtained The reference of the analytic method for connection capability analysis was verified by finite element calculation results Com- bining the elasticity theory and the calculation criterion of the API buttress thread the li it state equations of nonAPI casing connec- tion's failure modes were derived from the reliability theory The randan sapling of thread processing parmeters was carried out w ith the M onte Carlo method and then the failure probability and its corresponding reliability were obtained by statistics The calculation results show that the failure modes'reliability vales of non-API casing connection shoull be orered below:thread thread slipping pipe yiel >shear failure>>joint nupture KEY W ORDS oil well casings connectors prem im threads connection capability reliability analysis Monte Carlo methods 近年来，随着结构体系可靠度理论的发展-， 成为套管柱安全可靠性评估的重要一环，目前，特 国内外有关套管随机可靠性设计和评估预测方法的 殊螺纹接头套管被广泛应用于油气田开采，但由于 研究越来越多5-).油气井套管柱是由上百根甚至 其螺纹加工参数的改变使之与传统AP标准套管接 几百根套管通过螺纹连接在一起的，套管接头作为 头的失效形式Ⅲ-和机理存在一定区别.笔者针 套管柱中的最薄弱环节，一旦失效将导致全井报 对特殊螺纹套管接头建立简化的螺纹啮合物理力学 废[-).因此，套管接头的螺纹连接性能失效分析， 模型，依据弹性力学理论和AP标准螺纹计算准则， 收稿日期：2010-07-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。51105381):国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB226706):国家科技重大专项大型油气 田及煤层气开发项目(2011Z公05036：2011X05037)第 33卷 第 9期 2011年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．33Ｎｏ．9 Ｓｅｐ．2011 特殊螺纹套管接头连接性能的安全可靠性分析 许志倩 1） 闫相祯 2）* 杨秀娟 2） 1） 中国石油大学机电工程学院‚东营 257061 2） 中国石油大学储运与建筑工程学院‚东营 257061 * 通信作者‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｙａｎｘｚｈ＠163．ｃｏｍ 摘 要 建立套管接头内、外螺纹牙啮合物理力学模型‚依据螺纹啮合对变形协调方程和单个螺纹牙轴向弹性变形分析‚推 导出套管接头螺纹牙承载分布不均性规律及其法向接触力计算方程组‚并利用有限元计算结果验证了螺纹牙受力解析值的 可参考性．结合弹性力学理论和 ＡＰＩ偏梯形螺纹计算准则‚根据可靠度理论建立特殊螺纹套管接头三种连接失效形式的极限 状态方程‚利用 ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法对服从正态分布的螺纹各项加工参数进行抽样‚统计得出套管接头发生连接失效的概率及其 相应可靠度．计算结果表明：特殊螺纹套管接头各连接失效形式的可靠度由大到小排序为螺纹跳扣 ＞管体屈服 ＞螺纹牙剪 切 ＞接头抗拉． 关键词 油井套管；接头；特殊螺纹；连接性能；可靠性分析；ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法 分类号 ＴＥ931 ＋∙2 Ｓａｆｅｔｙｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｎｏｎ-ＡＰＩｃａｓｉｎｇｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｊｏｉｎｔｓ ＸＵＺｈｉ-ｑｉａｎ 1）‚ＹＡＮＸｉａｎｇ-ｚｈｅｎ 2）* ‚ＹＡＮＧＸｉｕ-ｊｕａｎ 2） 1） ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ‚ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ‚Ｄｏｎｇｙｉｎｇ257061‚Ｃｈｉｎａ 2） ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ‚ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ‚Ｄｏｎｇｙｉｎｇ257061‚Ｃｈｉｎａ * Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｙａｎｘｚｈ＠163．ｃｏｍ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｐｈｙｓｉｃａｌ-ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃａｓｉｎｇｃｏｎｎｅｔｉｏｎｊｏｉｎｔｓｗａｓｂｕｌｉｔｆｏｒｔｈｅｐｒｅｍｉｕｍｔｈｒｅａｄａｎｄｔｈｅｎｔｈｅａｘｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆａｓｉｎｇｌｅｔｈｒｅａｄｔｏｏｔｈｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｅｓｈｉｎｇｔｈｒｅａｄｔｅｅｔｈ‚ａｓｅｔｏｆｅｑｕａｔｉｏｎｓｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｃａｓｉｎｇｔｈｒｅａｄｗｅｒｅｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｓｉｎｇｔｈｒｅａｄｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｃｏｍ- ｂｉｎｉｎｇｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｔｈｅＡＰＩｂｕｔｔｒｅｓｓｔｈｒｅａｄ‚ｔｈｅｌｉｍｉｔｓｔａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｎｏｎ-ＡＰＩｃａｓｉｎｇｃｏｎｎｅｃ- ｔｉｏｎ’ｓｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｗｅｒｅｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｒａｎｄｏｍｓａｍｐｌｉｎｇｏｆｔｈｒｅａｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈ ｔｈｅＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｔｈｏｄ‚ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙａｎｄｉｔｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓ’ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｖａｌｕｅｓｏｆｎｏｎ-ＡＰＩｃａｓｉｎｇｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｏｒｄｅｒｅｄｂｅｌｏｗ：ｔｈｒｅａｄｔｈｒｅａｄｓｌｉｐｐｉｎｇ＞ ｐｉｐｅｙｉｅｌｄ＞ｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅ＞ｊｏｉｎｔｒｕｐｔｕｒｅ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｏｉｌｗｅｌｌｃａｓｉｎｇｓ；ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ；ｐｒｅｍｉｕｍｔｈｒｅａｄｓ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ；ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｔｈｏｄｓ 收稿日期：2010--07--26 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （Ｎｏ．51105381）；国家重点基础研究发展计划资助项目 （2010ＣＢ226706）；国家科技重大专项大型油气 田及煤层气开发项目 （2011ＺＸ05036；2011ＺＸ05037） 近年来‚随着结构体系可靠度理论的发展 ［1－4］‚ 国内外有关套管随机可靠性设计和评估预测方法的 研究越来越多 ［5－8］．油气井套管柱是由上百根甚至 几百根套管通过螺纹连接在一起的‚套管接头作为 套管柱中的最薄弱环节‚一旦失效将导致全井报 废 ［9－10］．因此‚套管接头的螺纹连接性能失效分析‚ 成为套管柱安全可靠性评估的重要一环．目前‚特 殊螺纹接头套管被广泛应用于油气田开采‚但由于 其螺纹加工参数的改变使之与传统 ＡＰＩ标准套管接 头的失效形式 ［11－15］和机理存在一定区别．笔者针 对特殊螺纹套管接头建立简化的螺纹啮合物理力学 模型‚依据弹性力学理论和 ＡＰＩ标准螺纹计算准则‚ DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2011．09．003