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复合载荷工况下特殊螺纹油套管接头三维有限元分析

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:267      更新时间:2018-01-22

复合载荷工况下特殊螺纹油套管接头三维有限元分析

刘〓源1,纪爱敏1,李〓堑1,樊鑫业2,许才斌2
(1.河海大学机电工程学院,江苏 常州〓213022)
(2.江苏常宝钢管股份有限公司,江苏 常州〓213018)

    油套管接头的作用是通过螺纹将多根油套管连接起来形成数千米的密封管柱,从而可以开采到贮藏在地表以下的石油。日益复杂的石油开采环境,对油套管接头的性能要求更加苛刻。为了提升油套管接头的性能,使特殊螺纹油套管接头能够在苛刻的环境下保证较好的密封性能与足够大的连接强度,模拟油套管接头的受力状态,对其进行性能分析是很有必要的[1-3]。对油套管接头施加不同工况下的复合载荷,通过ANSYS有限元分析软件进行计算,然后根据计算所得的应力云图以及接触压力曲线图可以对油套管接头的性能进行合理的分析。目前,对油套管接头进行的分析研究,普遍采用二维轴对称模型进行有限元分析,由于忽略了螺纹升角[4-5],无法模拟准确的上扣过程,对螺纹、台肩和密封面处发生的塑性变形、粘扣现象也无法得到合理的控制。此外,油套管柱在井下工作时由于受到复杂载荷的作用,可能会导致管柱发生屈曲变形[6-7],在变形段会有弯曲载荷的存在,而弯曲载荷为非轴对称载荷,因此利用二维轴对称模型进行有限元分析就会产生较大的误差[8-9]。三维油套管接头模型是通过油套管与接箍间的螺纹啮合形成复杂的空间螺旋曲面,因此采用三维油套管接头有限元模型进行计算得到的结果和实际情况比较相符。为了提升油套管接头的连接强度和密封性以及使用稳定性[10],本文建立了考虑螺纹升角的某特殊螺纹油套管接头的三维有限元模型,通过施加复合载荷来模拟实际工况下的受力,对油套管接头进行有限元分析。

1〓特殊螺纹油套管接头有限元模型的建立
    本文以某钢管有限公司生产的177.80×9.19mmHQSC特殊螺纹油套管接头为研究对象,利用三维设计软件SolidWorks分别建立油套管、接箍几何模型,再装配为一体,如图1所示。该油套管接头采用改进的偏梯形螺纹,承载面角度为-3°,导向面角度为10°,螺纹锥度为1∶16,密封面采用锥面/锥面密封,扭矩台肩为逆向角15°,可以起到较好的辅助密封的效果,该特殊螺纹油套管接头的内、外螺距均为25.4mm/(5牙)。 
特殊螺纹油套管接头有限元模型如图2所示,该模型采用八节点六面体单元,节点数为195 835,单元数为169*326。运用Hypermesh软件划分好网格,……

作者简介:刘源(1991—),男,河南商丘人,河海大学硕士研究生,主要从事数字化设计方面的研究。




(文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289)

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