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术交
弧形螺纹套管接头的设计及应力分析
梅丽,白兴国,张军,陈涛
(天津钢管集团股份有限公司,天津300301
摘要:提出了AI长螺纹套管接头的弧形设计思想;通过有限元分析,比较了圆锥螺纹和弧形螺纹的螺
纹接触应力分布。计算分析表明:弧形螺纹能优化接触应力分布,既容易加工、不增加成本,又能减少螺纹黏结
的发生,提高套管使用寿命。
关键词:套管;API长圆螺纹;弧形螺纹;接触应力;有限元
中図分类号:TE931.2;1H123-.4文献标志码:B文章编号:1001-2311(2013)02-0064-03
Design and Stress Analysis of Curved Thread Casing Connection
MEI Li, BAI Xingguo, ZHANG Jun, CHEN Ta
Tianjin Pipe (Group) Corporation, Tianjin 300301, China
Abstract: The design idea of the curved profile of the API long round thread casing connection is put forwarded
And thread contact stress distribution of the tapered thread is compared with that of the curved thread by means of the
finite element analysis (FEA)method. Relevant calculation result shows that the curved thread can get the stress
distribution optimized, and that such type of thread is easy to be processed, and meanwhile, no more cost
caused and moreover the gulling rate will be reduced, which means a longer service span
Key words: casing; API long round thread; curved thread; contact stress; finite element
套管的API长圆螺纹是圆锥管螺纹,其锥度算,尾扣的接触应力达1000MPa,而中间接触应
为1:16-2。由于其加工容易,价格便宜,在油气田力仅200MPa左右;因此笔者提出一种观点:对
得到了广泛的使用。根据现场的使用和研究表明:于API长圆螺纹套管,采用圆锥螺纹加工管体,
套管各个啮合螺纹牙上的载荷分布很不均匀,两弧形螺纹加工接箍。所谓弧形螺纹就是螺纹的中径
端螺纹的接触应力很大,中间的很小。因此,接线是弧线。这样可以减小啮合螺纹两端的径向过盈
头两端是严重的应力集中区,很容易黏结损坏;而量,增大中间啮合螺纹的径向过盈量,使接触应力
中间部分的螺纹接触应力,远小于材料的屈服强分布趋于均匀。在常用的数控系统上有孤形螺纹
度,从而使材料的能力没有得到最大发挥S-の。
加工的程序(只适用于API长圆螺纹),可进行加工。
针对机紧上扣状态的长園螺纹套管,提出弧形接箍弧形螺纹如图1所示,X1和X2是两端啮合处
API长圆螺纹套管接头的设计思想,在进行了一定的弧形中径与锥形中径的径向距离,X3是啮合螺
简化的基础上,建立有限元模型,分析弧形螺纹的纹总长度中点位置的径向距离。设背离轴线距离为
承载规律,为进一步研究提供理论基础。
正(X1、X2为正),反之为负(X3为负),通过确定
X1、X2和X3的值来确定中径弧线。X1、X2和X3
1弧形螺纹的概念
取值应控制在-0.1~+0.1mm,超过此范围可能给上
闵锥螺纹接触应力分布不均,根据有限元计扣过程造成不利影响
梅丽(1981-),女,硕士,主要从事油井管特殊螺2有限元模型的建立
纹接头研究工作。
以N80钢级139.7mmx9.17 mm API长圆螺
STEEL PIPE Apr 2013, Vol 42, No. 2
钢管2013年4月第42卷第2期
技术交滿
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V
800
600
轴线
400
参与啮合的首牙螺纹位置I一参与啮合的末牙螺纹位置
Ⅲ一弧形中径线Ⅳ一原锥形中径线(锥度1:16)
13579111315171921
啮合部分螺纹牙号
图1接箍弧形螺纹示意
一圆锥螺纹
弧形螺纹
纹连接的套管接头作为研究对象进行分析,管体
图5机紧上扣后园锥螺纹与弧形螺纹
接箍及其螺纹的其他参数按 API Spec5CT和API
接箍的螺纹接触应力分布
Spee5B标准规定。根据套管接头的结构和受
力特点,将其按轴对称处理,建立轴对称有限元模
由图5可知:圆锥螺纹接触应力分布很不均
型。对于材料参数,取弹性模量E=200000MPa
两端螺纹的较大,尤其是在啮合末牙螺纹处最
泊松比y=0.3,材料视为均匀的各向同性体,屈服大;中间部分螺纹的较小,特别是第19牙螺纹。
强度=552MPa,抗拉强度=689MPa,摩擦因弧形螺纹的接触应力分布虽然与圆锥螺纹的分布类
数取0.02。网格采用轴对称四边形单元,接箍的中似,但是明显降低了首牙和末牙螺纹的接触应力,
面施加轴向位移约束。长圆螺纹套管接头有限元模而中间部分啮合的各齿接触应力也有所提高,分布
型如图2所示,螺纹牙的网格划分如图3所示。
较均匀。根据有限元计算结果,圆锥螺纹接箍的最
大等效塑性应变位于最后一牙啮合螺纹承载侧处,
为0.01550;弧形螺纹接箍的该值也位于相同位
置,为0.00798;可见在机紧上扣后,弧形螺纹能
降低末牙螺纹黏结的几率。
1一管体2一接箍
3.2不同参数下弧形螺纹计算结果的比较
图2长圆螺纹套管接头有限元模型示意
3.2.1X;值对螺纹接触应力的影响
假设x2=0mm、K3=-0.05mm,X1值对机紧连
接后螺纹接触应力的影响如图6所示。由图6可看
出:随着X的増大,参与啮合的最后几牙螺纹接
触应力先是有大蝠度降低,然后又小幅度升高,而
中后部分啮合螺纹的接触应力都有所提高;所以
K1值对中后部分螺纹的接触应力影响较大。
图3螺纹牙的网格划分(局部放大
3计算结果及分析
800
3.1圆锥螺纹与弧形螺纹计算结果的比较
600
建立2个模型:X1=X2=X3=0mm(圆锥螺纹)和
X1=X2=0.05mm、X3=0.05mm(弧形螺纹)。啮合部
运來铩
分的接箍螺纹牙编号如图4所示,机紧上扣后两种
200
??
螺纹接箍的螺纹接触应力分布如图5所示。
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3579111315171921
啮合部分牙号
Nww
-X=0m--X=0.05mm?ーと=0.1mm
图4啮合部分的接箍螺纹牙编号示意
图6X1值对机紧连接后螺纹接触应力的影响
梅丽等:瓢形螺纹套管接头的设计及应力分析
钢管2013年4月第42卷第2期