拉伸载荷作用下套管接头的特性分析

D013374issn1001-053x.19昆紧科技大学学报 第19卷增刊 Vol 19 1997年2月 Joural of University of Science and Techoology Beijing Feh.1997 拉伸载荷作用下套管接头的特性分析 臧勇 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要利用有限单元法轴对称棋型，分析了8牙圆螺纹套管接头在拉伸载荷作用下的应力和变 形，给出了负荷和各应力沿轴向的分布规律， 关键词套管，螺纹，有限元 因套管螺纹滑脱（或断裂）、密封失效及管体挤毁等失效引起的油井报废事故时有发 生，造成了巨大的经济损失，为预防事故的发生，对典型负荷（拉伸、内外压、弯曲）作用下的 套管进行分析，以了解其基础力学持性是十分必要的.本文采用有限单元法分析了8牙圆 螺纹套管在拉伸负荷作用下的应力分布，变形及载荷传递规律等， 1 计算模型的建立 工作选N8095/8)”8牙圆螺纹套管接头为研究对象，对其在轴向力、内压、外压作用下的 力学特性进行研究分析.该套管接的主要参数为：外径D。=244.5mm;螺距p=3.175mm 壁厚t=10.03mm;接箍外径D,=266.9mm;弹性模量E=210000MPa;泊松比4=0.3. 研究表明，管接头在粘滞和具有不同摩擦系数的滑动条件下，载荷沿接头螺纹齿分布规 律变化不大，.因此本工作在计算中将螺纹承载侧面处理成粘滞状态，即假定不存在相对滑 动，而内外螺纹在非承载侧齿面保持脱开，即暂未考虑预紧力的影响.另外，套管的螺纹升 角一般都很小，其对应力和变形造成的影响很小，可以忽略，从而将模型处理成轴对称问 题以节省机时.图1为分析模型网格图，其节点总数2005，单元总数N:=1756 图1套管接头的有限元分析单元分制图(a)整体；(b)齿部加密处放大) 1996-03-20收稿 第一作者男33岁教授

第 珍 卷 增刊 】望刀 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加 目 试 面赚御 成 及妇耽 回 议加政盯 压场松 吐 珍 侧饭 】臾刀 拉伸载荷作用 下套管接头 的特性分析 减 勇 北 京科技大 学 机械工 程 学 院 ， 北京 侧 阳 摘要 利 用有 限单元法 轴对称模型 ， 分析了 牙 圆螺纹套管接 头在 拉 伸载 荷 作 用 下 的 应 力 和 变 形 ， 给出 了负荷和 各应力沿轴向的分布规律 关健词 套管 ， 螺 纹 ， 有限元 因套管 螺 纹 滑 脱 或 断裂 、 密 封 失 效 及 管体挤 毁 等失 效 引起 的油 井 报废事 故 时有 发 生 ， 造成 了 巨 大 的经 济损失 为预 防事故 的发生 ， 对典型 负荷 拉伸 、 内外压 、 弯曲 作用 下 的 套管进行分 析 ， 以 了解 其基础力学持性 是 十分必要 的 本文采 用有 限 单 元 法 分 析 了 牙 圆 螺纹套管在拉伸负荷作 用下 的应力分布 ， 变形 及 载荷传递规律等 计算模型 的建立 工 作选 “ 牙 圆螺 纹套管接头为研究对象 ， 对其在轴向力 、 内压 、 外压作用下的 力学特性进行研究分析 该套管接的主要 参数 为 外径 。 二 科 螺距 卫刀 壁 厚 接箍外 径 ，二 弹性 模量 二 洲 泊松 比 拜二 研究表 明 ， 管接头在 粘滞和具有不 同摩擦系数的 滑动条件下 ， 载荷沿 接头螺纹齿分布规 律 变化不大， 因此本工作在计算中将螺纹承载侧 面处理成粘滞状态 ， 即假定 不存在相 对滑 动 ， 而 内外 螺纹在 非承载侧齿 面保持脱 开 ， 即 暂 未 考 虑 预 紧力 的 影 响 另 外 ， 套 管 的螺 纹 升 角一般都很小 ， 其对应力和 变形造成的影 响很小 ， 可 以 忽 略 ， 从而将模型处理 成轴对称问 题 以节省机 时 图 为分 析模 型 网格 图 ， 其节 点总数 ， 单元 总数 。 布 一 一 介 一 告， 一 一 协 、 一 几 卜 一介沁少 匕土 了 厂 洁飞 图 套管接头的有 限 元分析单元分割图 盆体 齿部加密处放大 望拓 一 一 收稿 第一作者 男 岁 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．s1．002

Vol.19 臧勇：拉伸载荷作用下套管接头的特性分析 ·7· 2 计算结果及分析 2.1接头的变形 管体横断面上施加100MPa,计算可得套管接头 用 的应力和变形.图2为套管接头的变形图，图中各点的 位移进行了放大，从图中可以看出，套管在受到轴向 力之后，接箍的中部和管体部分，受到的应力基本上为 单纯拉应力，其轴向伸长，而横向由于泊松效应而缩 图2套管受轴向力后的变形 小，在管子螺纹的细部（端部）和接箍螺纹的粗部（外端部），由于受到螺纹牙承载侧的压力 作用，且这个压力对管子和接箍的中径是不对称的，从而造成管端缩小，而接箍端扩大，且 其程度随受力值的增大而增大，正是此种变形造成了将来套管接头的拉伸滑脱， 2.2接头的应力 有限元计算得到接头应力分布情况.分析结果表明，管体本体和接箍本体的应力分布 基本上是均匀的.但在螺纹啮合部位，应力变化复杂： (1)沿轴向各齿的各个应力水平以二头齿为最大，中间齿的较低，呈马鞍形（见图3），而 且，公母螺纹根部的应力分布是有差别的，公螺纹上粗端应力较大，细端应力水平较低，母 螺纹上则相反.这是因为公、母螺纹（即管子和接箍）对应断面的面积不同，刚度不一致，变 形不协调等因素造成.全局的最大应力出现在公螺纹粗端第一个接触螺纹的根部 60- 90l(a) 509 第一主应力、 70 409 第一主应力 30 里 50 等效应力 edw 20 30& 210 0 6 10 0 第三主应力 -10 。● 第三主应力 -10 -20 30 .30 0246810121416 0246810121416 齿数/个 齿数/个 图3螺纹根部的应力沿轴向的分布((a)公螺纹；()母螺纹.) (2)在每个齿上，虽然应力水平不同，但分布规律大致相同：在承载侧，有接触压力作 用，此负荷造成各齿（相当于悬臂梁）承载侧沿切向有拉力产生，而在另一侧则为压应力；在 齿的根部，存在着较大的应力集中，形成各齿的最大应力区；另外在齿顶部接触区开始处应 力水平也相对较高，这是接触压力分布不均和应力集中综合所致， (3)以上应力在管内和接箍外反映为轴向应力和环向应力，它们的应力水平均较低，均

减 勇 拉伸载荷作用下套管接头的特性分析 计算结 果及分析 接头的变形 管体横 断面 上 施 加 ， 计 算 可 得 套 管 接 头 的应力和 变形 图 为套管接头 的变形 图 ， 图 中各 点 的 位移进行 了放大 从 图 中可 以 看 出 ， 套 管在 受 到 轴 向 力之后 ， 接箍 的 中部和 管体部分 ， 受到 的应力 基 本 上 为 单纯拉应力 ， 其轴 向伸 长 ， 而 横 向 由于 泊松 效 应 而 缩 图 套管受轴 向力后的变形 小 在 管子螺 纹 的细部 端部 和接箍螺纹 的粗 部 外 端 部 ， 由于 受 到 螺纹牙 承 载 侧 的压 力 作用 ， 且 这个压力对管子 和接箍的中径是 不 对称 的 ， 从而 造 成管端 缩 小 ， 而 接 箍端 扩大 ， 且 其程度 随受力值 的增 大而增 大 正是 此种变形造成 了将来套管接头 的拉伸滑脱 接头 的应 力 有 限元计算得到 接 头应力 分布情 况 分析结 果 表 明 ， 管 体 本 体和 接 箍 本 体 的 应 力 分 布 基本上是均匀 的 但在螺 纹 啮合部位 ， 应力变化复杂 沿轴 向各齿 的各个应力水平 以 二 头齿 为最大 ， 中间齿的较低 ， 呈马鞍形 见图 ， 而 且 ， 公母螺纹根部 的应力分布是 有差别的 ， 公螺 纹 上 粗 端 应 力 较 大 ， 细 端 应 力 水 平 较 低 ， 母 螺纹上则相反 这是 因为公 、 母螺纹 即管子和 接 箍 对应 断面 的 面 积 不 同 ， 刚度 不 一 致 ， 变 形不协调等 因素造成 全局 的最大应力 出现在公螺 纹粗端第 一个接 触螺 纹 的根部 一 一、 、 笠一，擎 叫， 门 一芝门 芝一 门︸八曰 第 ， 三 主 应力 一一‘ 。 寸二 少 ， 了 －第 三 主一应力 气、 齿数 个 齿数 个 圈 螺纹根部的应 力沿轴向的分布 公螺纹 母姆纹 在 每 个 齿 上 ， 虽 然 应 力 水 平 不 同 ， 但 分 布规律大致相 同 在承载侧 ， 有接 触 压 力 作 用 ， 此 负荷造成各齿 相 当于 悬臂梁 承 载侧沿切 向有拉力产生 ， 而在另 一 侧则 为压 应 力 在 齿 的根部 ， 存在 着较大 的应力集 中 ， 形 成各齿 的最大应力 区 另外在 齿顶 部 接 触 区 开 始 处应 力水平也相 对较高 ， 这是接触压力分布不均 和应力集 中综合所致 以上 应力在 管 内和接箍外反 映为轴 向应力和 环 向应力 ， 它们的应力水平均较低 ， 均

·8 北京科技大学学报 1997年 未超过管体本身的轴向应力（图4）.螺纹处管子内壁的轴向应力基本为拉应力，二端较小，中间 较大，最大处在靠近粗端螺纹总长的13处，水平接近管体应力(85%).而环向应力在细端为 压应力，粗端为拉应力，这是因为接触压力及其摩擦效应，这和变形规律是一致的，水平以 细端的压应力为在大，大致为管体应力的45% (b) 8 00 轴的应力 轴向应力 e 0 环向应力 坏向应力 6 -2 -2 0 -4 6 -30 810121416 0 246810121416 齿数/个 齿数/个 图4接头表面的应力水平((a)管体内壁；(b)接糖外壁.) 在接箍的外壁，轴向应力沿轴向呈正弦曲线形，但总体来说，在中部较大，端部较小.水 平在管体应力的25%以下.其环向应力在中部为压应力，而在端部为拉应力，原因同公螺 纹.沿轴线大致呈直线变化，水平亦在管体应力的25%以下. 从上面的分析可以得知，随管接头所受拉力的增大，公螺纹粗端齿上的应力将先达到屈 服极限，进人塑性变形，此时其承载份额较弹性状态时下降，后续齿的应力水平上升；当塑 性变形达到一定程度时，该齿出现跳齿，从而完全丧失承载能力，进而又造成总体承载齿数 的减少，使新的应力（或变形）水平更高，最终产生接头的全面滑脱.这和实验中的粘扣和滑 脱情况是一致的. 3 结论 ()在拉伸载荷作用下，由于受到螺纹牙承载侧的压力作用，造成管端缩小，而接箍 端部扩大，其程度随受力值的增大而增大，此种变形的增大，将会造成套管接头的拉伸滑脱. (2)沿轴向各齿的各个应力分布极不均匀，以二头齿为最大，全局的最大应力出现在公 螺纹粗端第一个接触螺纹的根部 (3)有限单元法分析结果可以较好地说明套管接头在拉伸载荷作用下的失效机理， 参考文献 1 Asbill W T,et al.Investigation of API Round Casing connecting Performance.Transactions of the ASME,19841063):130~141 (下转第17页)

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 未超过管体本身的轴向应力 图 螺纹处管子内壁的轴向应力基本为拉应力 ， 二端较 小 ， 中间 较大 ， 最大处在 靠近粗端螺纹 总长 的 处 ， 水平接 近管体应力 而环 向应力在细端为 压应力 ， 粗端 为拉应力 ， 这是 因为接触压力及 其 摩 擦 效应 ， 这 和 变 形 规 律是 一 致 的 水 平 以 细端 的压应力 为在 大 ， 大 致 为管体应 力 的 一 二户，， … … 一 户 一芝门 芝一门 齿 数 个 街数 个 图 接头表面的应 力水平 管体 内壁 接箍外壁 在 接箍 的外 壁 ， 轴 向应力沿轴 向呈 正 弦 曲线形 ， 但总体来说 ， 在 中部 较 大 ， 端 部 较 小 水 平在管体应力 的 以 下 其环 向应 力 在 中部 为压 应 力 ， 而 在 端 部 为拉 应 力 ， 原 因 同公 螺 纹 沿 轴线大致 呈 直 线变化 ， 水平亦在 管体应力 的 以 下 从上 面 的分 析可 以得 知 ， 随管接头所受拉力 的增大 ， 公螺 纹粗端齿上 的应力将先达到屈 服 极 限 ， 进人 塑性 变形 ， 此 时其承 载份额较 弹性 状态 时下 降 ， 后 续 齿 的 应 力水 平 上 升 当塑 性 变形 达到 一定 程 度 时 ， 该齿 出现跳 齿 ， 从而 完全丧失承载能力 ， 进而 又 造 成 总体承 载 齿 数 的减 少 ， 使新 的应力 或 变形 水平更 高 ， 最 终产生接头 的全 面 滑脱 这 和实验 中的粘扣 和 滑 脱情况 是 一致 的 结论 在拉伸载荷作用下 ， 由于 受到螺 纹牙承 载侧的压力 作 用 ， 造 成 管端缩 小 ， 而 接箍 端部扩大 ， 其程度 随受力值的增大而增大 此种 变形 的增大 ， 将会造成套管接头的拉伸滑脱 沿 轴 向各齿 的各个应力分布极 不均 匀 ， 以二 头齿为最大 ， 全 局 的最 大 应 力 出现 在 公 螺纹粗端第 一个接 触螺 纹 的根部 有 限单元法 分 析结果 可 以较 好地说明套 管接头在拉伸载 荷作用下 的失效 机理 参考文献 ， 、件 罗 山记 〔址吨 田 团 旧叮 ” 签赶 沁佑 此 ， ， 叫 一 下转第 页

Vol19 管克智等：紫铜热变形流动应力的实验研究 ·17· Flow Stress of Red Copper at Hot Deformation Guan Kezhi Fan Bailin Zhou Jihua Co;:ege of Mechanical Engineering,USTB.Beijing 10083,PRC) ABSTRACT This paper mainly studies the mathematical models for flow stress of red cop- per by doing experiment with a cam plastometer at a constant deforming rate.The paper provides many flow stress diagrams concerning red copper under different strain temperatures, different strain rates and different deformation degrees.At the same time,on the foundation of analyzing and comparing the regression results of nonlinear models,mathematical models of high accuracy for flow stress was put forward. KEY WORDS red copper,flow stress,mathematical model,cam plastometer ⊙●⊙年⊙年⊙⊙年⊙米O年⊙⊙米⊙O◆*今⊙⊙*⊙#◇票◇年⊙米◇⊙⊙中*⊙⊙⊙##⊙单O*C年⊙南QO第OC年◇⊙年⊙ (上接第8页) 2李中华等.钻杆接头螺纹在拉伸载荷下弹塑性有限元分析.石油专用管，19941)：53~56 Finite Element Analysis of Casing Threads under Tensile Load Zang Yong College of Mechanical Engineering,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT This paper discusses the mechanical behavior of the API 8 Round casing con- nection under tensile load by the FEM,the regular pattern of stresses/strain distribution along pin/box has been given. KEY WORDS casing,thread,FEM

管克智等 紫铜热变形 流 动应力 的实脸研究 氏 们 以 改 于 吻 卿 如知 司 吧 ， 珊 ， 粥 ， 狡汀 岌洛 耐 玲 巴 ℃骆 迁 甲 乏 ， 此 端 此 毗 ， 乙 啡端 ， 迢 璐 哪心 耐 ， 泛洛， 以 ， 此 上接第 页 李 中华等 钻杆接 头螺纹在拉伸载荷下 弹塑性 有限元分析 石油 专用 管 ， 男叫 一 卫 ’ ” 卿 司 卿 ， ， 决巧 〕 叉 ， 汀 〔 侧骆巴 袄℃ 哪 。 ， 污，乏 恤 沈 · 以 ， 雌