摘要：本文以某公司正在研制的二又八分之七寸的锯齿形特殊螺纹石油套管为例，利用ANSYS有限元分析软件的非线性分析技术，对该尺寸的锯齿形特殊螺纹石油套管和外加厚圆螺纹的上扣特性和加载特性进行分析，为进一步帮助企业利用理论研究来指导实际提供有力帮助。

　　关键词;特殊螺纹;石油套管;有限元

Abstract: This article is taking saw-toothed special thread petroleum casing-pipe as example, using nonlinear technology of Ansys FEA software to analyze characteristics of thread-up and upload of the petroleum casing-pipe of saw-toothed special thread and thicken round thread in the same dimension。It provides strong help for the enterprises using theory research to instruct practice further.

　　Key words: special thread;petroleum casing-pipe;FEA

　　1.引言

　　随着我国油气田勘探开发的不断发展，深井、超深井、高压油气井、热采井、等复杂井况已大量出现。这些油气井对螺纹连接的气密封性、连接强度和耐腐蚀性等均提出了更高的要求。因此特殊螺纹接头油套管在这些特殊工况的油气井勘探开发中起到了巨大作用，用量将会越来越大。

　　本文针对某公司正在研制的二又八分之七寸锯齿形特殊螺纹套管和标准API外加厚石油套管进行数值模拟，弄清两种套管接头在上扣和加载状态下的应力、应变及接触力的变化分布规律，为进一步公司的产品升级提供了可靠依据。

　　2 模型建立

　　2. 1 　模型的简化

　　分别以二又八分之七寸锯齿形特殊扣和外加厚圆形扣石油套管进行比较，采用大型有限元计算软件Ansys程序进行，套管几何模型如图1 所示,根据套管结构的特点,分析中采用下述简化和假设:(1)接箍和套管材料为各向同性;(2)材料屈服后为各向同性强化;(3)不计小螺纹升角的影响。

图1 锯形特殊扣和加厚圆形扣有限元模型

　　2. 2 　边界条件及载荷条件

　　根据接箍的对称性，接箍中面的轴向位移为零，因此在接箍对称中面的各结点上施加Y方向位移约束。接触表面间的摩擦采用滑动库仑摩擦模型，摩擦系数取为0. 02 。此计算问题为接触问题，即边界条件高度非线性的问题。

　　3、结果分析

　　3.1、锯齿形特殊扣和外加厚圆螺纹上扣到机紧位置结果分析

　　3.1.1、锯齿形特殊扣

　　图2锯齿形特殊螺纹上扣到机紧位置应力局部图

　　首先， 模拟从手紧位置开始，锯齿形特殊螺纹上2.5扣时，即达到标准机紧位置时的的应力变化，其结果如图所示：

　　从图示可以看出，锯齿形特殊螺纹上2扣时表现出的应力主要出现在油管的连接部位，表现为在油管的头部和连接处的尾部作用明显。油管头部为绿色的159.212~212.231Mpa区域和尾部的53.174~106.193Mpa区域。且为拉应力。即头部和尾部向内弯曲。接箍的应力变化相对较小，表现为连接头部(油管连接处的尾部)有应力增加，即接箍在头部向外弯曲。

　　最大应力值为477.323Mpa，出现在油管螺纹尾部，接近螺纹消失处。N80级油管屈服极限下限为552Mpa，高于最大应力值，说明油管没有出现塑性变形。既油管不会出现粘连现象。

图3锯齿形特殊螺纹上扣到机紧位置接触应力图

　　锯齿形特殊扣上2.5扣接触应力如上图所示，接触应力最大值出现在油管螺纹连接的尾部，接箍连接的头部，最大值为376.716Mpa。上部以及螺纹连接处彼此有接触，但接触应力值不大，说明接触状态不是很好，主要靠油管尾部接触完成密封。

　　3.1.2、外加厚圆螺纹：

　　为了与锯齿形特殊扣相比较，我们模拟从手紧位置开始，外加厚圆螺纹上2扣时，即达到标准机紧位置时的的应力变化，

　　图4加厚圆形螺纹上扣到机紧位置时应力局部图

　　外加厚圆螺纹应力趋势与锯齿形特殊螺纹类似，也表现为油管两头向内弯曲，由于该模型螺纹连接部分长度小于锯齿形特殊螺纹，所以应力变化较明显，过渡比较分明。最大应力区分别出现在油管头部的内侧和尾部螺纹消失出的外侧。最大值为247.925Mpa，远小于N80钢级的屈服下限552Mpa，表明不会出现粘扣现象。

　　图5加厚圆形螺纹上扣到机紧位置时接触应力图

　　加厚圆形螺纹上2扣时接触应力分布如图：从图上看其接触应力分布较均匀，几乎整个连接区都在接触，接触情况要好于锯齿形特殊扣。最大接触应力出现在油管螺纹连接尾部，其值为98.293Mpa。

　　3.2、锯齿形特殊扣和外加厚圆螺纹上扣到机紧位置时加载结果分析

　　3.2.1 锯齿形特殊扣

　　为了进一步比较，我们模拟锯齿形特殊螺纹，在上2.5扣并轴向加载Y=-6577Kg=-64454.6N的应力情况，其结果如图所示：

　　图6锯齿形特殊螺纹上扣到机紧位置时加载应力图

　　从上2.5扣加载6577kg的受力图上看，等效应力在加载前和加载后变化很小，在上2.5扣+6577Kg工况下，与单纯上2.5扣时的应力图相比较，最大等效应力还有所降低，如前者为459.651Mpa，后者为477.323Mpa。说明受拉伸后，螺纹的径向过盈可能有所减小。说明锯齿形偏梯扣承受轴向拉伸载荷的能力较大，最大等效应力也小于N80的屈服极限，螺纹是安全的。锯齿形螺纹的受力点主要出现在承载面上，最大应力的出现处应该是受到螺纹尖角的影响，产生了应力集中。从接触应力分布图看，最大接触应力还是在套管的头部，油管与套管接触的根部，最大接触应力为206.694Mpa，小于屈服极限，表明油套管是安全的。

图7 加厚圆形螺纹上扣到机紧位置时加载应力局部图

　　3.2.2 外加厚圆螺纹

　　对于加厚圆螺纹，在上2扣并加载6577Kg时的应力变化与其不加载时相比较，变化明显。最大等效应力达到379.913Mpa。而其不加载时最大等效应力为247.925Mpa。增大了53%。同样的模型，只是加上轴向载荷应力变化了百分之50多，对轴向加载这样敏感，很值得注意。分析其原因，感觉应该是圆螺纹的齿厚相对较小，所以在轴向加上载荷后，等效应力变化很大。但此时最大等效应力为379.913Mpa，小于N80的屈服极限552Mpa，螺纹是安全的。从应力局部图上看，在套管和油管的螺纹根部有应力集中，局部应力较大易出现塑性变形。是危险区域。这在不加轴向载荷的时候没出现。

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