特殊螺纹接头扭矩的分析

焊管・第３３卷第９期．２０１０年９月　●试验与研究　特殊螺纹接头扭矩的分析　吴稀勇，闫　龙，陈　涛　（天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津３００３０１）　摘　要：简要介绍了特殊螺纹接头的基本结构和特殊螺纹接头扭矩计算的重要意义。在试验　与有限元分析的基础上，建立了特殊螺纹接头的扭矩计算方法。该方法是将特殊螺纹接头扭　矩分成螺纹与台肩两部分，采用不同的摩擦系数对有限元模型计算上扣后对应的螺纹与台肩　扭矩。最后验证了该计算方法的可靠性，结果表明，该方法的计算结果与试验结果相吻合，可　以用于特殊螺纹接头扭矩的计算与预测。　关键词：特殊螺纹接头；扭矩；有限元　中图分类号：ＴＥ９３１．２文献标志码：Ｂ文章编号：１００１—３９３８（２０１０）０９—００１２—０３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｔｏｒｑｕｅ　ｏｆ　Ｐｒｅｍｉｕｍ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ＷＵ　Ｘｉ－ｙｏｎｇ，ＹＡＮ　Ｌｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｔａｏ　（Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆＴｉａｎｉｆｎ　Ｐ　（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｒｅｍｉｕｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｐｒｅｍｉｕｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｔｏｒｑｕｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ），ｔｈｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｐｒｅｍｉｕｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ｗａｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｗｏ　ｐａｒｔｓ：ｏｎｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅａｄ，ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｆｒｏｍ　ｔｏｒｑｕｅ　ｓｈｏｕｌｄｅｒ，ａｎｄ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆｓ　ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｆｉｔ　ｔｈｅ　ｔｏｒｑｕｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅａｄ　ａｎｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ｓｈｏｕｌｄｅｒ　ｉｎ　ＦＥＡ．Ｆｉ—　ｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ；ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｐｒｅｍｉｕｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｔｏｒｑｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｍｉｕｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ；ｔｏｒｑｕｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　０引　言　随着石油天然气工业的发展，深井、超深井、　面的研究却较少。一般实物试验可以得到扭矩　值，但是大规模的实物试验需要花费大量的时间　和财力。结合实物试验与理论分析，找出影响扭　高温高压气井、热采井和含腐蚀介质的高难度井　的开发越来越多，在这些井况中ＡＰＩ螺纹接头已　矩的因素，并确定之间的关系，以建立模型来分析　预测扭矩，可以节省大量的时间。另外建立扭矩　计算的方法，可以研究影响扭矩大小的因素，有利　经不能满足使用要求，需要采用具备密封性能及　其他要求的特殊螺纹接头。特殊螺纹接头性能的　于特殊螺纹接头的结构设计与优化。本研究在分　析大量试验的基础上，结合有限元分析，提出了一　种扭矩计算方法。　有限元分析，已有大量的研究，但一般都集中在上　扣、内压、外压、轴向压缩或拉伸等轴对称边界和　载荷的应力应变分析方面¨　。在油田使用中，　特殊螺纹接头时采用按扭矩上扣，不是ＡＰＩ偏梯　形螺纹的按位置上扣。另外上扣扭矩的大小对接　１特殊螺纹接头的扭矩　特殊螺纹接头一般包括螺纹、金属一金属密封　与扭矩台肩三部分。特殊螺纹接头的上扣过程可　头的压缩性能和抗过扭能力都有影响，因而特殊　螺纹接头上扣扭矩是一个很重要的参数，但这方　第３３卷第９期　吴稀勇等：特殊螺纹接头扭矩的分析　・１３・　以分成两部分：在达到拐点扭矩之前的密封过盈和　螺纹过盈；达到拐点后的密封过盈、螺纹过盈和扭　式中：　扭矩；　ｒ一接触面的半径；　ｐ一接触面传递的压力，即接触应力；　ｓ一接触面方向的长度；　矩台阶过盈。密封过盈、螺纹过盈和扭矩台阶过盈　均为锥对锥的过盈，其扭矩与过盈量是线性关系，　因而叠加之后仍然是线性。图１是特殊螺纹接头　扭矩随上扣圈数变化的典型曲线。从图１可知，扭　角度；　一摩擦系数。　矩的大小时随圈数的变化线性增大，在扭矩曲线上　存在一个拐点Ｃ，过了Ｃ点后，扭矩增大速度上升。　对应于上扣过程，Ｃ点前是在达到拐点扭矩之前的　密封过盈和螺纹过盈产生的扭矩，Ｃ点后是达到拐　点后的密封过盈、螺纹过盈和扭矩台阶过盈产生的　扭矩。对比可知，扭矩台阶过盈产生的扭矩增大速　度远大于密封过盈和螺纹过盈的效果。　从图１可知，过了拐点后，在扭矩台肩处，扭　矩增大要比密封或螺纹处快。因而可以将整个上　２扭矩的计算与有限元模型　扣过程的扭矩计算式（１）分成两部分，即　＝　１　ｆＩｒ２ｐｄｓｄＯ＋　２　ｆＩｒ２ｐｄｓｄＯ。　￡　（２）　公式（２）中，第１项是螺纹与密封部分产生的　扭矩，其摩擦系数为　；第２项是扭矩台肩部分产　生的扭矩，其摩擦系数为　：。其中　和　：可以由有　限元计算与试验结果对比得到：试验中的拐点值对　应于图纸设计的轴向过盈对应的扭矩值，此时将计　算结果与试验的拐点数据对比可以得到　，同理可　将试验中的最大扭矩与对应的计算结果对比可以　得到　。　。和　确定后，就可以对同种扣型的相　图１上扣扭矩随上扣圈数变化曲线　似规格，或不同过盈量等进行扭矩计算。　借助Ａｂａｑｕｓ软件建立扭矩计算的有限元模　根据材料力学或弹性力学，特殊螺纹接头的　扭矩可按（１）式计算：　＝型（忽略螺旋升角，建立轴对称模型），￣ｂ１７７．８　ｍｍ　×１０．３６　ｍｍ的某个特殊螺纹接头模型网格如图２　所示　ｆｒＺｐｌｘｄｓｄＯ，　（１）　图２　１７７．８　ｍｍ　Ｘ１０．３６　ｍｍ特殊螺纹接头模型的网格划分　在ＣＡＤ中建立不同过盈与公差配合的公端　（ｐｉｎ）与母端（ｂｏｘ）结构，导人到Ａｂａｑｕｓ中。计算　件中导出对应节点的接触应力与坐标、位移，按照　公式（２）计算扭矩。　中采用４节点轴对称单元，接触的计算采用接触　面算法，定义ｂｏｘ为接触主面，ｐｉｎ为接触从面。　在结果中输出ＣＴＲＱ参数与接触应力ＣＰＲＥＳＳ。　图３是　０钢、６１７７．８　ｍｍ×１０．３６　ｍｍ某个　３扭矩计算方法的验证　Ａｂａｑｕｓ中对轴对称单元输出的ＣＴＲＱ是　＝　特殊螺纹接头上扣过程后接触面上的接触应力分　布。后续处理中编写Ｐｙｔｈｏｎ脚本从ｐｉｎ单元信息　中按顺序导出接触从面上的所有节点，从结果文　１时的扭矩值，为验证计算方法与Ｐｙｔｈｏｎ脚本的　有效性，需要将采用Ｐｙｔｈｏｎ计算的结果（取　＝１）　与ＣＴＲＱ输出结果对比。对Ｌ８０钢、￣ｂ１７７．８　ｍｍ　・１４・　焊　管　２０１０年９月　表２　ＬＳ０钢４，２４４．４８ｍｍ×１３．８４ｍｍ　特殊螺纹接头上扣最大扭矩对比　图３　Ｌ８０钢西ｌ７７．８　×１０．３６ｍｍ　５　结　论　（１）建立了计算特殊螺纹接头扭矩的方法，　特殊螺纹接头接触面上的接触应力分布　Ｘ　１０．３６　ｍｍ某种特殊螺纹接头，按照设计过盈量　上扣，用Ｐｙｔｈｏｎ脚本计算的扭矩结果为　９　８２５　Ｎ・ＩＴＩ，对应的ＣＴＲＱ输出为９　８２９　Ｎ・ｍ，两者　将特殊螺纹接头扭矩分为螺纹与台肩两部分，采　用不同的摩擦系数对有限元模型计算上扣后对应　的螺纹与台肩扭矩。　非常接近。对其他多种特殊螺纹接头，对比了　（２）采用有限元模型方法计算的扭矩与试验　结果基本吻合，可以用于特殊螺纹接头扭矩的计　算与预测。　ＣＴＲＱ输出结果与Ｐｙｔｈｏｎ计算值，数值也非常接　近。这表明计算扭矩的Ｐｙｔｈｏｎ脚本是可靠的。　４　计算结果与试验结果对比　将多种特殊螺纹接头模型计算结果和试验结果　进行了对比。表１和表２是Ｌ８０钢、　２４４．４８　ｉｉｌｉｎ　ｘ　１３．８４　ｍｍ某个特殊螺纹接头试验结果与计算结果的　对比。结果表明，对拐点扭矩与上扣最大扭矩有限　参考文献：　［１］ＹＵＡＮ　Ｇｕａｎｇ－ｊｉｅ，ＹＡＯ　Ｚｈｅｎ—ｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｑｉｎｇ—ｈｕａ，ｅｔ　ａ１．　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ￣Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｔｒｅｓｓ　Ｆｉｅｌｄｓ　ｉｎ　ＡＰＩ　Ｒｏｕｎｄ　Ｔｈｒｅａｄｅｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，２ＯＯ６，１３（８）：１２７５—１２８４．　［２］ＡＳＳＡＮＥＬＬＩ　Ａ　Ｐ，ＸＵ　Ｑ，ＢＥＮＥＤＥＴｒＯ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｎｕｍｅｆｉ—　ｅａｌ／Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｎ　ＡＰＩ　８－Ｒｏｕｎｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　元计算的扭矩值与试验值基本吻合。　表１　Ｌ８０钢西２４４．４８　ｎｌｌｎ×１３．８４　ｍｍ　［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，１１９　（１）：８１—８８．　特殊螺纹接头拐点扭矩对比　［３］高连新，史交齐．油套管特殊螺纹接头连接技术的研究　现状及展望［Ｊ］．石油矿场机械，２００８，３７（２）：１５—１９．　［４］杨智春，李斌，史交齐．特殊扣套管接头的应力及密封　特征分析［Ｊ］．机械科学与技术，２００４，２３（７）：７７１—７７４．　作者简介：吴稀勇（１９７９一），男，博士，主要从事特殊螺纹　接头的研究工作。　收稿日期：２０１０—０２—２７　编辑：黄蔚莉　（上接第１１页）　［４］赵良才．计算机辅助工艺设计［Ｍ］　北京：机械工业出　版社，１９９４．　从事冷弯成型机组、焊管成型机组及轧辊的研究，曾三次　获河北省科学技术进步三等奖。　收稿日期：２０１０—０３—１６　编辑：罗作者简介：杨仙（１９５６一），女，正高级工程师、教授，长期　刚