套管接头螺纹滑脱失效有限元模拟

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

·138 北京科技大学 学 报 2001年第2期 何参数条件、螺纹锥度配合极限条件、螺纹间考 0.17 拉力=1100kN,推度=0.0677 虑摩擦因数条件、螺纹啮合扣数的变化，以及考 a.15 拉力=1100kN,锥度=0.0625 虑材料塑性条件下，拉伸力作用时的管体与接 箍径向和轴向的相对位移.从图3()和(b)可以 0.13 看出，接头在标准几何参数下，施加拉伸力，管 0.11 (a)径向 体向内收缩，接箍向外膨胀.在拉力为1100kN 0.09 时，径向的相对位移最大值在接箍端部螺纹啮 拉力■1100kN,锥度-0.0677 合处，其值为0.161mm,轴向相对位移最大值是 0.09 拉力=1100kN,锥度-0.0625 0.093mm 0.08 图4和图5是接头锥度变化对螺纹牙径向 0.07 位移和轴向位移的影响.从图中可以看到，无论 0.06 是最大锥度相配合，还是最小锥度相配合，与标 (b)轴向 0.05 准值相比变化甚微，所以接箍和管体锥度大小， 3 579113151719 对滑脱影响很小 距管体端螺纹齿数 具0,18回+拉力-20kN+拉功40N 图5锥度最大和标准接头螺纹齿相对位移比较 0.15 ◆拉力660kN◆拉力=880kN Fig.5 Displacement comparison of thread teeth under nor- 过 ◆拉力-1100kN mal taper and maximal taper 0.9 意 图6()和(b)是考虑摩擦时接头螺纹齿径向 0.6 和轴向的相对位移.从图中可以看出，考虑摩擦 比无摩擦螺纹齿位移量小，在接箍端部啮合处， 1.246 +拉力=220kN一拉力=440kN 径向位移大约相差0.0073mm,轴向大约相差 1.0 +一拉力=660kN+拉力=880kN 0.8 0.0041mm. 拉力=1100kN 0.6 图7(a)和(b)表示螺纹啮合数对滑脱的影响. 0.4 从图中可以看出，减少啮合齿数，使得径向和轴 0.2 0 向相对位移增大，增加了滑脱的可能性.上紧2 3 5791113151719 圈，减少一对啮合齿，使得接箍端部螺纹啮合处 距管体端螺纹齿数 相对于上扣3圈条件下的径向位移增大0.0066 图3接头螺纹齿相对位移.(a)径向，b)轴向 mm,轴向位移增大0.0041mm. Fig.3 The relative displacement between thread teeth in 0.18 casing connection +-拉力=1100kN,摩擦因数=0.021 0.17 。拉力=1100kN,摩擦因数-0.0 拉力=1100kN,锥度-=0.0599 拉力=1100kN,锥度=0.0625 0.15 毫012 0.13 年0.10 0.11 (a)径向 (a)径向 0.08 0.09 0.09 -拉力=1100kN,摩擦因数=0.021 0.09 拉力=1100kN,锥度=0.0599 -拉力=1100kN,摩擦因数=0.0 拉力=l100kN,推度-0.0625 0.08 0.08 0.07 0.07 0.06 0.06 b)轴向 群 (b)轴向 0.05 0.05 3 5791113151719 1 3579111315 1719 距管体端螺纹齿数 距管体端螺纹齿数 图6摩擦与无摩擦接头螺纹齿相对位移比较 图4锥度最小和标准锥度接头螺纹齿相对位移比较 Fig.6 Displacement comparison of thread teeth consider- Fig.4 Displacement comparison of thread teeth under nor- ing friction mal taper and minimal taper

一 13 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 20 0 1 年 第 2 期 0 . 1 7 0 . 15 0 . 13 划毕之泌韧尽卒日口 之泌妇籍友尽寨日口 何参数条件 、 螺纹锥度配合极限条件 、 螺纹 间考 虑摩擦 因数条件 、 螺 纹啮合扣数 的变化 , 以及考 虑材料塑性条件下 , 拉伸力作用 时的管体与接 箍 径 向和轴 向的相对 位移 . 从 图 3 (a) 和 伪)可 以 看 出 , 接头在标准几 何参数下 , 施加 拉伸力 , 管 体 向内收缩 , 接箍 向外膨胀 . 在拉力 为 1 10 0 咖 时 , 径 向的相 对位 移最大值在接箍端 部螺纹啮 合 处 , 其值为 0 . 1 61 ~ , 轴向相对位移最大值是 0 . 0 9 3 r n r n . 图 4 和图 5 是 接头锥度变化对 螺纹牙径 向 位 移和轴 向位移的影 响 . 从图中可 以看到 , 无论 是 最大锥度相配合 , 还是最小锥度相配合 , 与标 准值相 比变化甚微 , 所以 接箍和管体锥度 大小 , 对 滑脱影 响很小 . 0 . 09 0 . 09 0 . 0 8 0 . 0 7 0 . 0 6 0 . 0 5 a() 士钾月20 kN 一 , 拉力 、 kN : 粼豁 ~ . - - - ~ 曰礴冲巾竺 土 二砧心逻. ,二~ 一 _ 之召目二不不二向` 一冲一 中吧. 们二~ 翻- 时一一 州冲今钾帅冲 , ~卜.一曰` ~口曰卜 O曰卜肠明卜卜心 - 一 ~ 一 , 卜 , , L去, 边曰忿曰` ` ` * 峥叫哟 , ~ 一 . . 苦 1 3 5 7 9 1 1 13 15 17 1 9 距管体端螺纹齿数 圈 5 锥度最 大和 标准 接头 姗纹 齿相 对位移 比较 F啥 . 5 D is Pl a e e m e . t co . aP 由 0 . o f ht aer d et t h u . de r .I o -r m a l at 衅r a n d m a幼nI a l t a eP r , , l ( b ) ` · ` 「 ’ 1 . 0 卜 一一 拉力=2 加 kN 一 拉力=4 40 k N 拉力巧60 kN ~ 拉力= 8 80 妞 距管体端螺纹齿数 图 3 接 头螺 纹齿相 对位移 , (a) 径 向 ,伪)轴 向 F ig . 3 T h e er l a ivt e d is P l a ce 口 e n t b e幻即e n ht er a d t喊h i n e a s 加9 e o n n e c t i o . 图 6( a) 和伪)是考虑摩擦 时接 头螺 纹齿径 向 和轴 向的相对位移 . 从图 中可以看 出 , 考虑摩擦 比无摩 擦螺纹齿位移量小 , 在 接箍 端部啮合处 , 径向位 移大约相差 .0 0 07 3 ~ , 轴 向大 约相差 0 . 0 0 4 1 r n】n . 图 7( a) 和b( )表示螺纹 啮合数对滑脱的影响 . 从图 中可以看 出 , 减少啮合齿 数 , 使得径 向和轴 向相对位移增大 , 增加 了滑脱 的可能性 . 上紧 2 圈 , 减少一对 啮合齿 , 使得接箍端部螺纹 啮合处 相对于上扣 3 圈条件 下的径 向位 移增大 .0 0 06 6 r o r 。 , 轴 向位移增大 0 .0 04 l r n r n . 0 . 18 广一 ~ ~ 一 一- . . 一 一~ ~ ~ 州 n ù 谊创艳划友霉卒日目 0 之友契尽寨泌划日口 星 ” · `6 鸳 0 · ,` 蔓 .0 ` , 尽卑 0 · 10 0 . 0 8 一 拉力= 1 1 0 kN ,摩擦因数= .0 0 21 0 . 1 7 纂 0 . ; 5 划 友 0 . 13 契 厚 0 . 1 1 即 0 . 0 9 0 . 0 9 暴 。 . 0 8 餐 。 · 0 7 置 。 . 。6 寨 0 . 0 5 夏 。 · 的 } 矍 0 .08 } : 默 {;;耀黯 乡 黔必 乡声 鬓 ” .07 } / 多了 翼.0 6 }一刁拼2 、 轴 向 距管体端螺纹齿数 图 4 锥度最 小和标准锥 度接头螺纹 齿相 对位移 比较 F i g . 4 D is P h e e m e o t e o m p a irs o n o f ht 似d t e t h u n d亡r n o -r m a l at l) e r a n d m 恤i m a l at 碑r 0 . 05 匕竺空吧丝竺1 1 一J 一一一~ ` 一 ~ 一 一 ~ ` 一』 1 3 5 7 9 11 13 1 5 17 19 距管体端螺纹 齿数 图 6 摩擦与 无康擦接 头姆 坟齿相 对位移 比较 F i g . 6 D is P al ce m e . t e o m aP 由皿 of t血 are d te ht e o . s i d e -r 恤g fl 改c七OL n

Vol.23 No.2 王琍等：套管接头螺纹滑脱失效有限元模拟 ·139 0.17 -拉力=1100kN,上 0.24 且0.15 紧3圈，无外露扣 -拉力=1100kN,弹性 -拉力=1100kN,上 0.20 →拉力=1100kN,弹塑性 紧2圈，外1扣 0.13 0.16 0.11 0.12 在 (a)径向 短 0.08 (a)径向 0.09 0.13 拉力=1100kN,上 耳 0.09 紧3豳，无外塞扣 0.11 +拉力-1100kN,弹性 的 →拉力=1100kN,上 拉力=1100kN,弹塑性 0.08 紧2图，外1扣 拉 0.09 0.07 0.07 旦 0.06 (b)轴向 0.05 b)轴向 0.05. 1 35791113151719 135791113151719 距管体端螺纹齿数 距管体端螺纹齿数 图8材料性能对接头螺纹齿相对位移的影响 图7外露1扣与无外露扣接头螺纹齿相对位移比较 Fig.8 The effect of materical propertyan the displacement Fig.7 Displacement comparison of thread teeth consider- of thread teeth ing outer tooth number 求解，证实在公差范围内，锥度大小对滑脱几乎 图8(a)和b)是考虑材料按拉伸应力一应变 没有影响. (2)螺纹间的摩擦使得管体和接箍螺纹牙径 曲线变化而求得的接头径向和轴向相对位移. 向和轴向相对位移减小，对滑脱起遏制作用. 由图可知，与弹性参数下的位移相比，在接箍端 (3)接头螺纹间啮合齿数减少和材料的塑性 部径向相对位移增大了0.074mm,轴向相对位 变形都使得螺纹牙径向和轴向相对位移增大， 移增大了0.041mm;从增大的数量值来看，材料 使滑脱容易产生，且材料性能对滑脱影响最大. 的力学性能对滑脱影响较大. (4)套管接头滑脱从接箍的端部开始 从以上模拟的结果中可以发现，无论哪种 情况，径向相对位移最大值都在接箍端部螺纹 参考文献 啮合处，说明滑脱从接箍的端部位置开始，它与 1 American Petroleum Institute.API STD 5B Specification for Threading,Casing,and Thread Inspection of Casing, 油田实践和实验室滑脱结果相吻合 Tubing,.and Line Pipe Threads.Fourteenth Edition. 3 结论 USA:API.1996 2 American Petroleum Institute.API SPEC 5CT Specifica- (1)通过最大锥度、最小锥度相配合的模拟 tion for Casing and Tubing.Sixth Edition.USA:API,1998 Finite Element Method Simulation of Thread Off Failure on Casing Thread Connection WANG Li,CHEN Zhaoneng,TONE Dechun',ZOU Jiaxiang",ZANG Yong 1)Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China 2)Mechanical Engineering SchooL,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Casing thread connection must satisfy structural integrity.Thus the thread off failure's influ- ential parameters of casing thread connection were simulated by the finite element method that cam be used to consider large distortion and large slippage on thread contact boundary.Results show:thread taper has very small effect on thread off,and material property has the biggest effect on thread off.The first position of thread off is coupling end,and that position is tallied with the position during actual operation. KEY WORDS casing thread connection thread off failure FEM simulation

、 b l . 23 N 0 . 2 王俐等 : 套 管接头 螺纹 滑脱 失效有 限元 模拟 一 1 3 9 . 0 . 17 拉力= 1 l o kN ,上 0 . 24 0 . 1 5 0 . 1 3 0 . 1 1 0 . 20 0 . 16 0 . 12 0 . 08 协攀友霉但卒、目ó口 之协划友霉尽必日目 0 . 0 9 包l7 ù协友划舞尽界日目 夏 0 . 0 9 鸳 0 . 0 8 蔓 。 . 。7 尽 挤 0 . 0 6 0 . 13 0 . 1 1 0 . 09 0 . 07 0 . 05 0 . 05 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 1 3 1 5 17 19 距管体端螺纹 齿数 图 , 外 尽 1 扣 与无外 露扣接 头螺 纹齿相 对位 移 比较 F ig , 7 D i s P al e e m e n t c o m P a 由 o n o f t h are d te ht c o . s id e -r i n g o u te r to o t h n u m be r 图 8( a) 和伪)是考虑材料按拉伸应力一 应变 曲线变化而求 得的接头径 向和轴 向相对位移 . 由图可知 , 与弹性参数下的位移相 比 , 在接箍端 部径 向相对位移增大 了 .0 0 74 ~ , 轴 向相对位 移增大 了 .0 0 41 ~ ; 从增 大的数量值来看 , 材料 的力学性能对滑脱影 响较 大 . 从 以上 模拟 的结果 中可 以 发现 , 无论 哪种 情况 , 径 向相对位移最 大值都在接箍端部螺纹 啮合处 , 说明滑脱从接箍 的端部位置开始 , 它与 油 田实践和实验室滑脱结果 相吻合 . 3 结论 (l) 通过最大锥度 、 最小锥度相配合 的模 拟 距管体端螺纹 齿数 图 8 材料性 能对接头 探纹 齿相 对位移的 影响 F 哈 . 8 T h e e幻er c t o f m a et r iaC l P or eP 巾 a n ht e d isP la ce ln e n t o f t血r e . d t e ht 求解 , 证实在公差范 围内 , 锥度大小对滑脱几乎 没有影 响 . (2 )螺纹 间的摩擦使得管体 和接箍螺纹牙径 向和轴 向相 对位移减小 , 对 滑脱 起遏制作用 . (3 )接头螺纹 间啮合齿数减少 和材料 的塑性 变形 都使得螺纹 牙径 向和轴 向相对位 移增大 , 使滑脱容易产生 , 且材料性能对滑脱影 响最大 . (4 )套管接头 滑脱 从接箍 的端 部开始 . 参 考 文 献 1 A m e ir can P e tr o l e 切m l snt i tU e . A IP S T D S B SP e e iif e at ion for 们时e a d ign , C as ing , an d T hr e 耐 nI sP e ict o n o f C as i gn , T u bi n g , . 叨d L ine P IP e T hr e a d s . F o u rt e e n th E dit ol . U SA : A P I , 19 96 2 A m e ir e an P e tr 0 l e um nIS ti t u et . A P I SPE C 5 C T SP e e i fl e a - it on fo r C as in g an d T u b l n g . s 玩ht E刁i ti on . U SA :A P I , 19 9 8 F i n it e E l e m e in M e ht o d S im u lat i o n o f T hr e ad o f F ia lur e on C a s i n g T h 限a d C o n n e e t i o n 删刃G iL l), C月 E N Z再a on e双 9 1乙 厂口 N E D e C h un ,) ZO U iJ ax ia 心气 ZA N G OY心 , 1) S h an g h ia Ji aot o n g U苗 v e sr iyt , Sh叭hg al 2 0X() 3 0 , hC ina Z)M e c h 别吐c ia E n g in e inr g S c h o LU S T B e ij ing , B e ij ing l 0 0 0 8 3 ,C h in a A B S T R A C T aC s ign 公止 e ad c o n n e ict on m su t s iat s厅 s lt u c t ur a l int e igr .yt Th u s het t hr e ad o f iaf 】ur e l s in fl u . e int al p ~ etr s of ca s吨 血 e ad c ~ ict on w er s加 u l aet d by het 丘in t e le ~ nt m e ht o d ht at c时 be su de ot c on is d e r l agr e id s t o rt i on an d l agr e sl iP a g e on 廿止 e a d c o n at c t ob nU da 仃 . eR s lut s s h o w : t hr e ad atP er ha s v eyr s m al l e fe ct o n thr e a d o f, an d m a t e ir al Pr o Pe yrt ha s ht e b ig g e st e fe ct on ht r e ad o f Th e ifr s t Po s it on o f U甘 e ad o f 1 5 e o u Pl ign en d , an d ht at Po s it ion 1 5 砚li e d w iht het Po s it o n dl 止in g ac tL 坦】叩 e r a t i o n . K E Y WO R D S e a s ign 廿ir e ad e o n n e e it on it ir e ad o f ifa lur e F E M s加血lat l o n