（机械设计及理论专业论文）油管螺纹失效机理分析及液压钳的技术改造.pdf

油管螺纹失效机理分析及液压钳的技术改造 于艳艳( 机械设计及理论) 指导老师：王旱祥副教授 摘要 随着油管在石油工业中的大量应用，如何提高油管寿命和抗粘扣性 能越来越受到人们的重视。本文通过建立油管上扣过程中螺纹联接的力 学模型来分析油管螺纹参数对螺纹联接受力的影响规律，借助于有限元 分析的方法，对不同螺纹参数( 锥度、螺距、牙型角) 的油管相同工况 下的上扣过程进行仿真，最终确定了螺纹参数对螺纹联接应力的影响规 律，为螺纹参数的优化设计、改善螺纹载荷的分布进而减少螺纹粘扣失 效的发生提供了依据；分析上扣过程中液压钳的使用对螺纹粘扣的影响， 分别计算了液压钳在规范操作、误操作以及改进液压钳卡紧方式等情况 下油管螺纹的应力状态，结果指出，液压钳卡紧位置对螺纹应力的影响 较大，所以规范现场操作十分必要，改进后的液压钳三点夹持油管，与 传统液压钳相比，明显降低了螺纹的等效应力和接触应力，在一定意义 上也提高了油管的抗粘扣性能，可以认为，改进措施是成功的。 关键词：有限元油管螺纹联接接触应力螺纹参数液压钳 t h e a n a l y s i so ft u b i n gt h r e a df a i l u r em e c h a n i s m a n dt h e t e c h n o l o g yr e f o r m a t i o no fh y d r a u l i ct o n g y u y a n y a n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g h a n - x i a n g a b s t r a c t w i t h 岱ew i l d l yu s eo f 谢n gi np e t r o l e u mi n d u s t r y , h o wt oi m p r o v i n g t h el i f ea n d a n t i g a l l i n ga b i l i t yo f o i lr o b ei sm o r ea n dm o r ep a i da t t e n t i o nt o t h i sp a p e rs t a r t e dw i t ht h ed y n a m i c a lm o d e lo ft h r e a dc o n n e c t i o n si nt h e p r o c e s so fo i lt u b es c r e w i n gc l a m p ，a n a l y z et h ep a r a m e t e r si m p a c t i n gt h e s t r e s so ft h r e a dc o n n e c t i o n s ，t h r o u g ht h ei n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t i m u l a t e t h es c r e w i n gc l a m po fc a s i n gi ns a m ec o n d i t i o n sw h i c hh a v ed i f f e r e n t p a r a m e t e r ss u c ha st a p e r 、p i t c h 、t h r e a df o r ma n g l e ，g e tt h ei m p a c t i n gn i l eo f p 踟e t e r so ns t r e s s ，s u p p l yf o u n d a t i o n sf o rp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n d i m p r o v i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o n a n a l y z et h ei m p a c t i o no f h y d r a u l i ct o n gu s ei n s c r e w i n gc l a m p c a l c u l a t et h es t r e s so fc o n n e c t i o n sw h e nh y d r a u l i ct o n gi si n c o r r e c to p e r a t i o n 、e r r o ro p e r a t i o na n dt h eh y a r a u l i ct o n gi sm o d i f i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ej a m m i n gp o s i t i o nh a v em u c hi m p a c to nt h et h r e a ds t r e s s ， t h es t r i c to p e r a t i o ni s v e r yi m p o r t a n t ，c o m p a r e dt of o r m e r , t h r e ej a m m i n g p o s i t i o n so fh y d r a u l i ct u n gd e e p l yd e c l i n e dt h es t r e s sa n dc o n t a c tp r e s s u r eo f e a s i n gt h r e a d ，i np a r t ，l i f tt h ea n t i g a l l i n ga b i l i t yo fc a s i n g t h u s ，t h e m o d i f i c a t i o no f h y d r a u l i ct o n gi sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，c a s i n g ，t h r e a dc o n n e c t i o n ，c o n t a c t ，s t r e s s ，s c r e w p a r a m e t e r , h y d r a u l i ct o n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 客继柳年 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：i 望! 生兰 导师签名： 堋年 p f 厂b 厂月 巧日 哆耳 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 本研究课题的目的和意义 油管是石油管材中仅次于套管的第二大类石油管材，各油田每年用 量多在几十万米至数百万米之间。圆螺纹自本世纪初问世以来，在油气 田得n - r 广泛的应用。但是从国内外各大油田现场调查情况来看，满足 a p i 标准的圆螺纹油管在使用过程中经常发生粘扣、刺扣、滑脱、疲劳 断裂、腐蚀等失效事故，大大缩短了油管的使用寿命，增加了油井的修 井作业量和作业费用，并影响到油井产量，给油田用户带来巨大的经济 损失【“。据不完全统计，油管粘扣失效的油用有：胜利、大庆、辽河、 吉林、华北、中原、长庆、克拉玛依、塔罩木、青海、江汉、四川等油 田，涉及粘扣失效的油管厂家有：宝钢、s i d e r c a 、住友金属、奥钢联、 西班牙t r 、诚德、西姆莱斯、山东墨龙以及胜利、华北、中原等油田的 油管加工厂等。钢级有j 5 5 、n s 0 、c 9 0 、p l l 0 等。可以说各类油管均发 生过粘扣失效，而且粘扣失效总集中在油管的现场上扣端，即便是产品 质量完全符合a p l 标准【2 1 ，也不能保证在使用中不发生粘扣现象。根据 a p i 标准要求，新油管使用十次以内，不应该发生螺纹失效现象，然而 国产油管的使用现状远达不到这一水平，严重的使用1 次后油管螺纹就 开始发生漏失或粘扣失效现象，从而造成作业失败。 从胜利油田现河采油厂调研情况来看，2 0 0 5 年共发生油管粘扣 9 0 0 0 0 根，因油管粘扣造成的维护作业井量6 0 0 口，占全部油井维护作 业工作量的3 0 ，返修作业工作量2 8 01 ：3 ，占整个返修作业工作量的3 2 ，有部分油井甚至出现多轮次频繁作业，全年造成经济损失大约5 0 0 0 万元。 我们知道，石油管柱是由若干单管通过螺纹联接在一起，并同管体 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 一起在油井中长期服役，承受着拉伸、弯曲、内压、外压及温度等产生 的复合应力的影响，油管在如此复杂的载荷作用下，其螺纹联接质量的 好坏，直接影响油管的使用寿命。此外，液压钳的广泛应用，虽然对提 高作业效率，减轻工人劳动强度起到了一定的作用，但也带来了加速油 管粘扣失效这一新问题。虽然行业标准s y t 5 0 7 4 9 1 对石油修井用动力 管钳各项指标进行了严格限制，但由于目前所使用油管钳本身结构设计 和操作上的缺陷，再加上技术上的原因，油管液压钳的主要技术指标难 以达到国家标准( g b ) 和石油行业标准( s b ) 的要求，给现场作业带来极大 的困难。该研究课题就是针对且前国内外各大油田普遍存在的螺纹粘扣 现象提出的，旨在解决粘扣产生机理、如何提高螺纹抗粘扣性能以及液压 钳的技术改造等问题。因此，对不同工况下油管螺纹联接的力学性能进 行有限元分析，找出影响螺纹粘扣的因素并提出相应的措施是十分必要 的。 1 2 目前国内外螺纹粘扣机理的研究成果 根据i s o1 3 6 7 9 标准的最新定义吲，粘扣是一种发生在相互接触金属 表面间的冷焊( c o l d w e l d i n g ) 。主要是指在油套管上卸扣过程中，相互作 用的公母螺纹的螺旋表面并不是理想的平滑，而是有一定的糙度和形状 误差，在摩擦力的作用下必然是从点接触开始，造成局部接触点上的压 力非常高，超过钢基体屈服点的应力，从而在接触点产生塑性变形直到 实际接触面积增加到足够支持其载荷为止，在塑性变形过程中，如果螺 纹表面没有镀层存在，或者镀层在切向运动时发生了破裂，则在常温下 接触点两侧会发生局部再结晶、扩散或熔化等变化，表面之间极易粘合， 因而产生冷焊现象，急剧降低螺纹的结构完整性和密封完整性，最终导 致滑脱掉井和井下泄漏事故发生。据不完全统计，东部几个主要油田发 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 生油套管( 包括国外进口的) 粘扣的现象比较严重，给油田和制造厂家带 来巨大的经济损失。近几年来，如何提高油套管螺纹联接的抗粘扣能力 是油田使用单位、生产厂家及科研工作者研究的热点，从上个世纪8 0 年 代初到现在，国内外专家学者从不同角度研究了螺纹粘扣机理，并提出 了一些抗粘扣的措施，取得了一定的研究成果 4 - - 1 0 l 。 1 2 1 螺纹粘扣力学机理研究现状 油套管螺纹联接的研究早在上世纪初就已经开始，但是国内外系统 地对管螺纹粘扣机理方面的研究还很少，只是最近几年才见这方面的报 道。其中对粘扣机理的解释主要有以下几种观点。 摩擦磨损观点i 】 摩擦磨损观点认为粘着磨损、磨料磨损和腐蚀磨损是引起油套管螺 纹粘扣的根本原因。油套管在上卸扣过程中，局部接触点由于严重的塑 性变形而产生冷焊现象，这些冷焊点在不断地被剪切后又重新形成，并 发生材料的转移从而出现螺纹的粘着磨损；螺纹在旋进过程中颗粒状杂 物( 螺纹毛刺、沙尘、螺纹脂中硬度高的金属粉颗粒等) 对摩擦表面起 切削和犁刨作用，引起表面材料脱落，形成磨料磨损；螺纹材料与钻井 液或原油中的某些化学成分发生化学或电化学反应，生成腐蚀产物，而 这些腐蚀产物一般粘附不牢固，在微振动过程中被剥离下来，而新的表 面又继续与介质发生反应，如此重复下去形成腐蚀磨损。 接触应力观斛1 2 】 该观点认为接触应力过大是引起螺纹粘扣的根本原因。油套管在上 卸扣过程中，上扣扭矩和几何约束过盈的联合作用使得油管螺纹局部点 的接触应力过大，进而造成螺纹接触界面的摩擦力增大，产生宏观粘扣 现象。国内外对油套管螺纹联接部位的应力分布进行了大量的研究，采 用有限元法和实验相结合的手段对接触应力的分布进行了一系列分析。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 分析结果表明，接触应力是引起螺纹粘扣的根本原因 1 3 , 1 4 ，而且不论是 交互使用不同产品，还是使用同一螺纹，对应长度范围的不同位置，旋 扣时接触应力愈大的部位愈容易发生粘扣。为此，文献【1 4 】特意表述了接 触应力对粘扣的影响。 扭矩观点 文献 1 5 指出了油管螺纹在上扣过程中的凿面接触压力直接受过盈 与上扣扭矩的影响，而且在几何尺寸与螺纹面长度相同的情况下，上扣 扭矩愈大，齿面接触压力就愈高。因此，在工程上有人认为上扣扭矩及过 盈量是引起螺纹干涉，发生粘扣的主要原因【1 3 ，16 ，m 。根据圆螺纹油管上 扣扭矩与粘扣倾向的试验结果可知，在a p ir p5 c 1 推荐的扭矩范围内上 扣，螺纹面不容易粘扣，随着操作扭矩增大，粘扣倾向加重，对试验结 果进行回归处理，可得到操作扭矩与粘扣数s 的相关性： t = 1 9 2 8 + 1 0 6 8 s 0 2 1 式中，r 为上扣扭矩，n m 。 。上扣扭矩高出a p i 规定扭矩5 0 左右时，螺纹表面粘扣数一般不超过 4 扣，即粘扣面积小于螺纹表面积的5 ；当上扣扭矩高出a p i 规定扭矩l 2 倍时，螺纹粘扣数在6 1 0 扣之间，粘扣面积到达螺纹表面的1 0 左右； 当上扣扭矩超过a p i4 倍时，粘扣数可达1 4 扣之多，即形成大面积粘扣， 因此从防止粘扣的角度来考虑，严格控制上扣扭矩至关重要。 1 2 2 直接失效原因的研究现状 除了影响螺纹粘扣的力学因素，近几年来对于螺纹参数优化、油管 使用与操作方面等影响因素的研究也越来越多。 油管螺纹参数优化与检测研究现状 油管螺纹参数分为几何和物理两种，这些参数对油套管螺纹的抗粘 扣性能有很大的影响。早在1 9 6 5 年c l i n e d i n “1 8 1 就对钢管螺纹接头的强度 4 中国石油人学( 华东) 硕士论文第1 章前言 进行了研究，指出拉力易于减小齿侧接触压力并造成泄漏事故的发生； 1 9 9 0 年，a l e x a n d r e 1 9 1 给出t a p i 和i e a f i 套管的力学性能的计算方法； 1 9 9 6 年，f r a n c o i s t 2 川指出双台阶钻具接头可以增加钻具接头扭转强度；国 内的魏嵬、孙春一和冯礼祥分别给出了圆锥螺旋线、螺纹硬度和油套管 螺纹参数的计算公式，并指出了它们对油套管螺纹粘扣的重要意义。中 国石油天然气总公司石油管材研究所的研究者通过对国内油田发生的油 套管粘扣失效事故研究发现：外螺纹中径偏小，内螺纹中径偏大或者外 螺纹锥度偏于下限，内螺纹锥度偏于上限都容易造成粘扣现象的发生； 螺纹几何因素对上扣扭矩的影响要远大于螺纹脂、机紧速度等摩擦因素， 并且在几何因素中，中径影响最大，其次是接箍不圆度，第三是锥度， 其他参数影响较小；内外螺纹螺距偏差过大，造成接触应力分布不均， 易产生粘扣现象；单纯提高螺纹的加工精度并不能从根本上解决粘扣问 题。 螺纹检测研究现状 在螺纹检测方面，目前各油套管生产厂家和使用单位主要还是按照 a p is p e c5 b 标准来操作，不过各生产厂家又在这个标准的基础上制定了 自己的检测规范。从事这一领域研究的一些研究者近年来提出了一些新 的检测方法。1 9 9 4 年，胡玉林【2 1 1 应用光弹性方法，探讨石油套管螺纹连 接部分的应力分布及密封性能；1 9 9 6 年，c a s t o r e 2 2 l 应用激光三角形技术 提出了一种螺纹几何模型的三维测试技术，并指出此种技术几年后可能 在市场上出现；1 9 9 5 年，h a s s e l 2 3 1 提出一种基于激光的特征检测系统( 包 括内螺纹的检测) ，例如可检测螺纹牙型的高度和直径；1 9 9 8 年，曲兴华 阱】等提出了一种在普通三坐标测量机上检测石油管螺纹的三维微测头系 统。从这些研究可以看出，在近2 0 年从事油套管螺纹参数优化及检测研 究的人员很多，在这一领域取得了长足的进步。不过同时也应看出在螺 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 纹参数优化方面的研究成果大部分是定性的，而定量的可指导油套管制 造厂家操作的研究还很少，新提出的螺纹检测方法还有待进一步在实践 中加以验证。 1 2 3 螺纹几何参数影响研究现状脚】 锥度和螺距 当内外螺纹锥度或螺距处于2 个极限偏差时，在上紧过程中整个螺纹 受到的应力将不一致，应力大的部位会过早发生粘扣。目前，螺纹j j n t 厂家可接受的经济精度为a p i 要求公差的一半，这对保障油管抗粘扣性能 带来了非常不利的影响。另外，螺纹公母扣螺距的偏差方向如果相反， 则会在旋合时越旋越紧，在接触应力比较大的部分螺纹上则会因为应力 集中而导致粘扣。 齿型角 内外螺纹齿型角角度不同时，会造成螺纹局部应力过大，该部位将 最先发生粘扣，进而引发大面积螺纹粘扣。为避免这种情况的发生，要 严格控制内外螺纹梳刀的几何参数，加强刀具的互换性，同时装夹刀具 要控制准确对正。 紧密距偏差过大 当螺纹公母扣紧密距偏差变化比较大时，如果属于“大帽子、小脑 袋”式的配合，则会影响扭矩提高，当考虑值( 套管螺纹旋合后管端到 接箍中心的距离) 时，容易造成螺纹连接强度不足。若形成“大脑袋、小 帽子”( 公扣中径大、母扣中径小) 式配合，则会为了达到拧接后无余扣 和，值不超差，配戴接箍时往往发生过扭矩操作，致使螺纹周向局部接 触应力过高而粘扣。 齿高或齿形不匹配 按照a p is p e c5 b 标准的规定，无论是a p i 圆螺纹还是偏梯形螺纹， 其公扣与母扣旋合后，在齿顶和齿底都留有一定的间隙，这种间隙所形 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 成的空间螺旋通道，则用螺纹脂来进行填充，同时对螺纹的牙型角也规 定有1 0 3 0 的偏差范围。但是，刀具制造的偏差，特别是在齿高、牙型 角出现极限偏差时，会造成公母扣旋合时齿高或齿形发生干涉而粘扣。 在螺纹牙形的直线与圆弧过渡部分，如果吻接不好，也会发生粘扣。 1 2 4 油管螺纹加工工艺影响研究现状 目前，国内外油管螺纹加工采用的工艺流程普遍如图l 一1 所示。影响 螺纹抗粘扣性能的工艺因素主要是螺纹加工技术、表面处理技术和试压 技术。 黑篆、 一 匝巫) 恒囤j 鬯到剖伫_ 图1 1 油管螺纹加工采用的工艺流程 螺纹加工技术 外螺纹加工技术有2 种：管体旋转与管体不旋转。管体不旋转螺纹加 工技术克服了管体旋转所引起的螺纹质量不高、精度差、噪声、震动等 缺点，也可避免产生震颤刀痕，有利于提高螺纹抗粘扣性能。套管和接 箍的螺纹加工，一般采用程控或数控切削机床( 如管端螺纹切削机床和接 箍螺纹切削机床) ，配备专用成型刃具( 主要有单齿或多齿刀片) 进行切削 加工。由于切削加工的机床、刀具、样板、工模具以及量具等自身有一 定的尺寸精度，必然会影响被加工螺纹精度。 螺纹表面处理技术 防止或减轻粘着磨损的有效方法是使摩擦副不接触( 厚膜润滑) 或改 变接触表面物理化学性能，使之不易发生粘着，或即使发生粘着，焊合 点的剪切强度也很低【2 6 1 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 a 螺纹表面喷砂处理技术 表面喷砂处理能清除机械加工件微毛刺。经喷砂后，能提高0 5 1 级 表面粗糙度，被喷表面有微观均匀的凹坑，能保持贮存润滑油，改善润 滑条件。 b 采用表面金属镀层处理方法 使金属表面形成一层化合物，避免金属之间的直接接触，有效降低 甚至避免粘着磨损。就油井管而言，普遍采用镀铜、镀锌、锰盐磷化、锌 盐磷化等工艺，其中镀铜有增加密封性和抗粘扣、抗腐蚀的多重作用， 缺点是工艺实施过程中废水处理对环境有污染且成本较高；镀锌与镀铜 相比，投入成本较低，但对密封及抗粘扣的贡献不及镀铜；镀镍、镀铬 由于镀层硬度高，对抗粘扣不利；锡主要用在工艺品装饰方面；磷化中， 锰盐磷化的分解湿度高，表面硬度低，是理想的抗粘扣保护膜，锌盐磷 化虽不及磷化好，但要比氧化处理工程价值更高。文献 1 7 曾对镀铜与 磷化层厚度进行了分析对比，结果发现接箍采用磷化处理( 锌盐磷化) ， 磷化层厚度很不均匀，分布也不连续，多数圆螺纹表面看不清磷化层厚 度，只有局部表面有较明显的磷化层，经测量层深约为2 9 m 、4 z m 、 6 z m ，个别点最高8 9 m ，且分布没有规律性。镀铜有所不同，接箍镀铜 层连续分布在螺纹的全长表面，沿螺纹面不同部位镀层厚度有所不同， 即齿侧8 1 2 i 1 1 ，齿顶8 1 0 9 m ，齿根6 1 6 1 m 。说明齿侧与齿顶镀 铜层比较均匀，齿根略有差异。将镀铜、磷化和未处理三组油管进行反 复上卸扣试验亦发现，未处理内外螺纹表面最易粘扣，磷化接箍在a p i 规定最大扭矩下上卸扣不粘扣，但抗过扭矩能力差，上扣扭矩达到a p i 推荐最大值1 7 5 倍时，螺纹表面严重粘扣。镀铜接箍有所不同，上扣扭 矩达到a p i 推荐最大值二倍时，螺纹表面才发生轻微粘扣，说明抗过扭矩 s 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 能力较强。究其原因，内、外螺纹组成的摩擦副按摩擦磨损的一般规律， 相同金属或互溶性大的材料组成的摩擦副粘着倾向大，即易发生粘扣失 效，而异性金属或互溶性小的材料组成摩擦副粘着倾向小，不易引起粘 扣口7 ，2 钔。对接箍进行表面处理，其目的就在于此。镀铜比磷化的抗粘扣 性能好，其中的重要原因就在于铜属于面心立方金属，钢属于体心立方金 属，硬度差较大，互溶性小，且镀铜层分布均匀，相对比磷化层厚，故 镀铜的抗粘扣性能和密封耐压性明显优于磷化。 目前，磷化、镀铜、镀锌、镀锡、渗氮例技术在接箍螺纹表面处理 上得到应用，但无论哪种表面处理工艺，处理层厚度都要达至f j 2 0 “m 以 上方能见到良好的效果，而国内的表面镀层厚度往往在1 0 m 以下，因 此使用效果并不理想。根据吐哈石油机械厂接箍磷化技术现状，对现有 的磷化工艺进行了调整，使磷化层的厚度达n 2 5 口m 以上，经试验，螺 纹的上卸扣次数可提高4 次以上。 c 采用软氮化、渗硼、渗钒、硫氮共渗处理 硫氮碳共渗处理，使渗层的表面硬度增高而难于屈服，可有效地减 轻粘着磨损，但由于工艺的特殊性，对油管螺纹的局部表面处理难度较 大。 1 2 5 实际操作规范对螺纹抗粘扣性能的影响研究现状 从近年来各油气田发生的油套管事故分析可以看出，除了一部分因 产品质量而引起的外，还有相当一部分是因油田现场操作过程中配套的 工具不当或者操作不规范引起的。主要包括上扣扭矩、上扣转速、接箍 夹持力不当以及螺纹脂的使用等等。为此，1 9 9 9 年，a p i 学会特意颁布了 a p ir p5 c 1 标准以指导油套管用户正确维护和使用油管和套管。 上扣扭矩的影响 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 油田在下石油套管过程中使用的拧接工具，一般有锚头绳、b 形钳、 液压油管或套管钳、钻杆钳等。按照作业规范及行业标准要求，应使用 带有扭矩控制和显示的液压油管钳或套管钳，不允许使用其他作业工具。 其目的除了操作安全性外，就是控制上卸扣扭矩使之不超过a p ir p5 c i 的规定，防止扭矩太小而产生连接强度不足和密封性不好等问题。但在 实际作业过程中，由于液压钳是将液压压力转换为相应的扭矩值，所以 扭矩不准确，并且在一定的上卸扣速度下，液压钳仍会产生一定惯性， 使实际扭矩有时大于设定扭矩，出现过扭矩现象。另外，按照有些油田 的作业习惯，在石油套管旋合后，不允许有“外露扣”即余扣，所以通 常需再紧一下，将余扣旋入，也就必然会使扭矩超过标准规定值。在此 种情况下，过扭矩会使油管与接箍啮合的部位温度过高，螺纹脂冒烟失 效，螺纹部分因过扭矩而粘扣。 引起液压钳过扭矩操作因素是多方面的。首先，国产液压钳的液压 回路设计没有限压阀装置，现场使用连接动力源不同，泵排量和输出压 力明显不同，使液压钳在实际操作中扭矩难以控制，易造成过扭矩现象； 其次，国产液压钳上安装的压力表满量程为2 5 m p a ，分度值显示一般为5 、 l o 、1 5 、2 0 m p a ，也给出了压力一扭矩曲线，高档下操作时压力表5 m p a 相当于1 5 0 0 n 辨，也就是说，压力表指针一启动就达到甚至超过油管的 初始上扣扭矩，这种刻度的划分，稍有不慎就会造成过扭矩现象，显然 这在实际操作中不十分合理。现在有的液压钳把这种压力表改换成扭矩 表，其最小刻度为2 0 n 册，而且每一单位量度值为1 0 0 0 n 历，对扭矩 的控制相对要好些。另外，虽然a p ir p5 c i 和g b t 1 7 7 4 5 - - 1 9 9 9 中都给 出了推荐的油管上扣扭矩，但实际使用时，受液压源和大钳型号的限制， 有时在低速档上上扣时的额定扭矩超过上述标准推荐值的2 5 倍之多。 上扣速度的影响 3 0 1 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 根据粘着磨损理论，螺纹联接时，速度小于临界值圪时，螺纹副的 摩擦所产生的热量能够及时得到散发，螺纹不易发生粘扣；当摩擦副相 对滑动速度超过临界值时，螺纹副的发热效率大于散热效率，摩擦面的 温度急剧上升，使摩擦面金属软化和产生流动，就发生了粘扣。a p i 标准 规定，油管上扣速度v _ 0 ， 中国石油人学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 所以g ( x ) 的分布曲线为两头高，中间低的马鞍型，从而导致了各牙螺纹 受力的不均匀性，如图2 - 4 所示。 由式( 2 1 7 ) 可知，由轴向力造成的螺纹牙侧面上的接触应力p ( x ) 与 日( x ) 符合线形关系，所以，接触应力p ( x ) 也是一个关于x 的双曲余弦函 数，其分布曲线为两头高，中间低的马鞍型。对g ( x ) 进行求导并取绝对 值，可得： q x ， 卜、 j o 一一f 图2 4 油管螺纹轴向力分布强度示意图 阿嚆f 4 刨 l f i 百s h ( f i x ) 一唑掣 弦s ， 要使油管螺纹载荷分布比较均匀，必须使 碍，( x ) _ l g l t , l 、，由上式可知， 必须减小参数f 。由式( 2 2 6 ) 可得： f = ( 2 3 4 ) 由上式可知，要使油管螺纹载荷分布比较均匀，即要减小f ，可以 通过减小码厅，即减小内外螺纹的接触截面积；也可以通过增大乃和五， 2 3 焉降 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 即增大螺纹牙的柔度；也可以通过增大p ，即螺距。 2 3 油管接头内外螺纹的正应力分析 2 3 1 厚壁筒的l a m e 应力分析 图2 - 5 均压厚壁圆筒 如图2 5 所示，圆筒外半径b 与内半径a 之比b a 1 5 时被称为厚 壁圆筒。油套管螺纹联接应力计算几乎都是以承受内外压力的厚壁圆筒 的l a m e 应力分析为基础【朔，为了分析方便，下面给出l a m e 基本方程和 胡克定律。l a m e 基本方程为： 筒壁内任意一点处的径向位移分量，根据l a m e 理论可写成： “甘训争争r - ( 1 + f 1 ) 等爿泣s 6 ， 由广义胡克定律可得： 岛= 去h 一( 巳+ q ) 】 ( 2 3 7 ) 一 塞附攀 一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 式中，皿为径向应力，正值为拉应力；o 0 为周向应力，正值为拉应力； a 、b 分别为厚壁圆筒的内外半径，为圆筒内任意一点的半径：a 为厚 壁圆筒内壁上所受的内压力；p 2 为厚壁圆筒外壁上所受的外压力( 如图 2 - 5 所示) ；e 为弹性模量；为泊松比：u 为筒壁内任意点( 半径为r ) 的径向位移。 对于接箍( 即内螺纹) 来说，其p 2 - - 0 ，a = ，6 = ，i r a = r = ， 则式( 2 3 5 ) 可以简化为： f 2 一p ， 卜眼糍 3 幻 对于油管( 即外螺纹) 来说，其p 2 = p ，p l = 只，取6 = ，= ，口= 0 ， 则式( 2 3 5 ) 可以简化为： 。，2 一p 。 k 巩籀+ 袅 q 。3 式中，p 。为油管螺纹间的径向接触压力；p f 为油管内壁所受的压力； 为接箍外表面半径；o 为油管内表面半径；r b 为螺纹的节圆半径；d 为 接箍的径向应力，为接箍的周向应力；为油管的径向应力；为 油管的周向应力。 2 3 2 油管螺纹间的径向接触压力 ( 1 ) 上扣扭矩和内压作用下的接触压力 如果忽略螺纹升角的影响，并忽略上扣过程中接箍和油管螺纹牙间 的相互移动，则该问题可以简化为一个普通的轴对称平面应变问题。即： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 8 z b 2 2s 2 ( 2 - 4 0 ) 式中，t 为轴向应变；为接箍的轴向应变；为油管接头的轴向应 变。 根据广义胡克定律可得： = 瓦1 k 一( + ) 】 ( 2 - 4 1 ) 2 瓦1 。o ”一( + ) 】( 2 - 4 2 ) 式中，为接箍的轴向应力，为油管的轴向应力。 如果毛= e ，将式( 2 - 4 1 ) ，式( 2 - 4 2 ) 代入式( 2 - 4 0 ) 可得： 一= k + 一( + ) j ( 2 4 3 ) 由式( 2 3 7 ) 、式( 2 3 8 ) 可得。 + = 艺2 p v r 孑孑 + = 箍一藉 将式( 2 - 4 4 ) 、式( 2 - 4 5 ) 代入式( 2 - 4 3 ) 可得： ( 2 4 4 ) ( 2 _ 4 5 ) 盯，盯，。一2 u p , 塑型蚴2 22 ( 2 4 6 ) 一一4 - 4 ( 4 - 。d ) ( 4 0 一- r f ) 。2 q o 由式( 2 3 7 ) 、式( 2 3 8 ) 可得接箍螺纹节圆处的径向位移分量为： 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 = = 鲁k 叫+ ) 】 = 盗e ( 籀- 4 甘铷l 吃j e ”“ ( 2 4 7 ) 由式( 2 3 7 ) 、式( 2 3 9 ) 可得油管螺纹节圆处的径向位移分量为： 驴= 釜k 一, u ( o - ：p + ) 】 = 警睇+ + 警磊一铷 q 4 鼬 式中，u b 为接箝的径向位移；“，为油管的径向位移；为接箍的周向应 变；为油管的周向应变。 为 则接箍螺纹与油管螺纹之间的纯径向位移( 即过盈量，也即干涉量) 慨节叁 老漓 - 禹州训 式中，j 为纯径向位移，即过盈量，也即干涉量。 由式( 2 - 4 9 ) 可得： ( 2 5 0 ) 将式( 2 - - 4 6 ) 代入式( 2 5 0 ) 并整理即可得在上扣扭矩和内压作用下 油管与接箍螺纹之间的径向接触压力为 取= 赫22 鬻2 r a l 卅 s t ， 即似一) j一2 ) 。”l 掣糍垒砑 虹 剖簪鼎 驴 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 取只= 0 ，即可得到： 蛐= 赫 鬻 协s 2 ， 式( 2 5 2 ) 即为在上扣扭矩作用下接箍和油管之间的表面径向接触 压力。 ( 2 ) 轴向力作用下的接触压力 由2 1 的分析可知，在螺纹上扣过程中，油管和接箍之间会产生轴 向力，所以本文也考虑了在轴向力作用下油管螺纹的受力。 在轴向力作用下，接箍的内螺纹和油管的外螺纹产生的轴向应力分 布如下： o 岛= f ) k ( 芬一) 】 ( 2 5 3 ) 。_ = p f ( x ) 1 防( 瑶一# ) 】 ( 2 5 4 ) 式中，f 为作用在油管上的轴向力；x 为矩油管外螺纹端部的轴向距离； f ( 力为作用在位于x 处的油管螺纹上的轴向力，一，o ) 为作用在位于 x 处的接箍螺纹上的轴向力，求法见式( 2 - 1 2 ) 、式( 2 3 0 ) 。 由以上两式，可求得由于轴向力引起的轴向应力差为： 一= 号舞错铲 b s s ， 一2 瓦弓丽萨 屹。 将式( 2 5 5 ) 代入式( 2 5 0 ) 可以得到由于轴向力引起的表面径向接 触压力： 跏= 一巫东掣 协s s ， 2 3 3 油管螺纹间的正应力 由于在上一节中，上扣扭矩和轴向力作用下的表面径向接触压力是 主望鱼鲨盔堂! 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 分开讨论的，所以在上扣扭矩和轴向力作用下的螺纹应力也分开讨论。 ( 1 ) 在上扣扭矩作用下油管螺纹的应力 将式( 2 - 5 2 ) 中的p 蒯作为见，取a = 0 ，代入式( 2 3 5 ) ，可得油 管在上扣扭矩作用下的径向应力和周向应力【3 s 】： 一岫+ 铧 协s ， 一铀一型驴 c 勰， 将式( 2 5 2 ) 中的p 删作为a ，取段= 0 ，代入式( 2 3 5 ) ，可得油 管接箍在上扣扭矩作用下的径向应力和周向应力： ：型堑# 掣22(2-59) ：型2 堑# 掣22(2-60) 下面分析油管和接箍在上扣扭矩作用下的轴向应力。 将式( 2 - 4 5 ) 代入式( 2 4 2 ) ，可得出在上扣扭矩和内压作用下油管 的轴向应力： = 叫4 孥一眼 泣6 - ， 将式( 2 - 4 4 ) 代入式( 2 4 1 ) ，可得出在上扣扭矩和内压作用下接箍 的轴向应力： 吧：+ 缝 ( 2 - 6 2 ) 由于在上扣扭矩和内压作用下，油管接头的纯轴向载荷为零，因此 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 油管和接箍螺纹存在如下平衡关系： ” 簖一) = ( 穗一# ) ( 2 - 6 3 ) 联立式( 2 - 4 0 ) 、( 2 6 1 ) 、( 2 6 2 ) 、( 2 6 3 ) 可得在上扣扭矩和内压作 用下油管和接箍的轴向应力： = 警孚 等一叁 c 础， 一2 , ( 4 - 4 ) i 一百【 ( 2 6 5 ) 用p 叫代替p f ，令b = o ，代入以上两式，可z i j 一作用 下油管和接箍的轴向应力： o z r 2 ( 2 6 6 ) 一背 - 研4 p r c m 一矧 沼6 ， ( 2 ) 在轴向力作用下油管螺纹的应力 将式( 2 5 6 ) 中的p 作为岛，取a = o ，代入式( 2 3 5 ) ，可得油 管在轴向力作用下的径向应力和周向应力，并结合式( 2 - 5 3 ) 可得轴向 力作用下油管螺纹的应力为： ：一跏+ 型磐 ( 2 6 8 ) = - p ，f 一警 协s 卵 d ；= 只x ) k ( 乎一) j ( 2 - 7 0 ) 孥 籍 丝 哆一疗 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 将式( 2 5 6 ) 中的p r , r 作为p j ，取p 22 0 ，代入式( 2 。3 5 ) ，_ 】得油 管接箍在轴向力作用下的径向应力和周向应力，并结合式( 2 - 5 4 ) 可得 轴向力作用下接箍螺纹的应力为： = 警 沼，t ， = 警 协铊， o z b = p 一，( x ) l k ( 吃一# ) 】 ( 2 7 3 ) 2 4 油管接头内外螺纹的剪应力分析 上扣时的油管螺纹，通常既承受拉伸载荷又承受扭矩载荷，所以在 螺纹中既有正应力又有剪应力。为了方便和安全，此处用上扣扭矩t 计 算剪应力。由文献 3 9 可得油管和接箍的极惯性矩为： o = 丢似一晖) ( 2 - 7 4 ) 如= 妾阮一彰) ( 2 - 7 5 ) 式中，、如分别为油管和接箍的极惯性矩；以为螺纹的节圆直径；叱 为油管的内径；丸为接箍的外径。 假设上扣扭矩作用下，摩擦力在油管和接箍的啮合长度上是均匀分 布的，则油管和接箍中的剪应力为： 。= 署( 2 - 7 6 )0 2 而f 历 = 糟( 2 - 7 7 )“一万( 一刃) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 式中，f 。、r b 分别为油管和接箍中的剪应力；x 为矩油管外螺纹端部的 轴向距离；三为油管和接箍的啮合长度；，为油管和接箍的径向距离； r o ) 为距油管外螺纹端部轴向距离x 处的扭矩，算法同2 2 4 节所示求 取f ( x ) 的方法一致，故知r ( 力在轴方向也是个关于x 的双曲余弦函 数，其分布曲线为两头高，中间低的马鞍型，所以可知毛、r b 在轴方向 的分布曲线也是两头高，中间低的马鞍型，欲使剪应力在轴方向均匀也 应采用2 2 4 节所示的方法。 2 5 油管接头内外螺纹的应力分析 由以上分析可知，油管接头螺纹在上扣过程中，既承受正应力，又 承受剪应力，处于复合应力状态。油管和接箍多为塑性材料，可按第四 强度理论计算，所以油管和接箍的相当应力为： = 砟+ 3 r ； ( 2 - 7 8 ) = 刃+ 3 露 ( 2 7 9 ) 式中，d 0 、d 为油管和接箍的相当应力；o p 、为油管和接箍所受的 正应力。 2 6 结论 本章通过理论分析，得到了在上扣扭矩作用下，螺纹联接部分之间 的轴向力和径向力。通过分析油管螺纹的变形协调方程，得到了轴向力 作用下油管螺纹牙间的轴向力分布，给出了轴向力分布强度和接触应力 沿轴向的分布公式。通过对分布公式的分析，发现轴向力分布强度和接 触应力在轴向是轴向距离的双曲余弦函数，其分布曲线为两头高，中间 低的马鞍型，同时分析给出了为使油管螺纹载荷分布均匀，改善螺纹联 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油管螺纹粘扣的力学机理分析 接的应力分布需要改动的参数和采取的措施。 在厚壁筒的假设条件下，通过应用l a m e 基本方程，对油管接头内 外螺纹的应力进行了分析。最后得出了在上扣扭矩、内压和轴向力作用 下油管螺纹的接触压力、正应力、剪应力及相当应力的公式，为改善螺 纹联接的应力分布提供了理论基础。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p i 圆螺纹参数表达 第3 章a p i 圆螺纹参数表达 为了满足油套管圆螺纹联接强度和密封性能的要求，除了要有相应 的机械性能外，在几何尺寸上也应有具体要求。1 9 9 6 年，a p is p e cs t d5 b 新版规定了油套管圆螺纹的径向尺寸、轴向尺寸和环向尺寸。本节将系 统介绍a p i 油管圆螺纹的几何参数 4 0 , 4 1 1 ，为第4 章油管螺纹接头有限元模 型的建立打下基础。 3 1 螺纹径向尺寸 ( 1 ) 螺纹大端直径d 4 名义外径d 是油套管的公称直径，螺纹代号以名义外径的英寸值和 螺纹类型符号表示。螺纹大端直径d 4 是螺纹消失面的直径，对于圆螺纹 来说，豌= d 。 ( 2 ) 螺纹基面中径 基面中径是一个假想圆锥的直径，是其圆锥的母线通过牙型上沟槽 和凸起宽相等的地方。圆螺纹手紧啮合平面中径互即是油管的基面中径， 详见图3 1 ，它是根据距螺纹消失点长度g 处平面的大径等于大端直径历 计算得来的。 且= d 4 一( l 4 一厶- g ) x k 一2 丸( 3 - - 1 ) 式中，厶为管端至消失点平面螺纹全长，m l n ；工l 为基准距离，m m ；g 为 量规中径西平面至螺纹消失点平面长度，m r f l ：j 为锥度；鼠为牙项高， m m 。 其中( 厶一厶一g ) k 是手紧面比距消失点长度g 处平面( 完整螺纹末 端) 大径的减小值或中径晶比e 7 的减小值。据a p is p e cs t d5 b 可知检验 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章a p l 圆螺纹参数表达 巨用螺纹量规，量规在距消失点距离g 处( 对于油管而言，g = 1 2 7 m m ) 的中径易= ( d 4 - ( h 一0 0 0 3 ) ) ( i n ) = d 4 2 h e 。 一一接箍中面位置 一管端机紧面位置 一手紧啮合面位置 一 有效螺纹长度截面位置 l 面 图3 1 油管圆螺纹手紧旋合的基本尺寸 ( 3 ) 筘镗孔直径q 接箍镗孔有利于观察其端面对管子螺纹消失面的位置，圆螺纹套管 螺纹消失面允许在接箍孔内两圈，孔直径的公差q 伊7 9 m m ，对油管来说， q = d 4 + 1 6 ( m m ) 。 ( 4 ) 螺纹高度 圆螺纹原始三角形高度日 原始三角形是其底边平行与中径圆锥母线形成螺纹牙型的三角形 ( 如图3 - 2 所示) ，基本参数有牙型角，、螺距p 、圆锥面半顶角。根 据图形几何关系可知， a f = a e + e f = 尸+ d e t a n o , 2 ) = 研1 + t a n ( r 2 ) ( 3 2 ) 鱼至逦奎学( 华东) 硕士论文第3 章a p i 圆螺纹参数表达 h = c j = j b c ：聋巴篙2 芴舞! ：易茅氅豸卅他 c ， = 户【l + t a i l 妒t a i l 2 娅t a i l 纠2 ) 一t a i l 州2 u 。 = 尸p t 孤2 ) 一t a n # m ( r 2 ) 2 已知，p = l ：1 6 ，= i 。4 7 2 4 。，) , 2 = 3 0 。，所以，h = 0 8 6 5 8 p 。 、 墨 厂 。焱璺