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摘要：为研究气密封检测对特殊螺纹油管接头密封性能的影响，通过有限元软件建立了球面-锥面和锥面-锥面两种特殊螺纹接头有限元模型，将接箍左端面固定，油管右端面施加恒定轴向拉力650 kN，内压载荷(55、80、100、110 MPa)施加在油管和接箍的内表面，设置油管与接箍的接触属性，分析了在恒定的轴向拉力和不同内压下，密封面接触压力和等效应力。结果表明：保持轴向拉力不变时，施加55、80、100和110 MPa四种内压载荷，其中内压载荷为110 MPa时，等效应力和接触压力为最大值，且内压大于100 MPa时，最大接触压力增幅减小，最大等效应力增幅增加,当内压由100 MPa增至110 MPa时，球面-锥面和锥面-锥面特殊螺纹接头最大等效应力增幅为1.81%和1.23%，气密封检测对锥面-锥面特殊螺纹接头密封性能影响较小。
关键词：气密封检测,特殊螺纹接头,接触压力,等效应力,密封性
Influence of Gas Seal Detection on the Sealing Performance of Premium Connection
Cao Yinping1,2，Liu Yu1,2，Yu Yang1,2，Dou Yihua1,2
(1.Mechanical Engineering College,Xi′an Shiyou University,Xi′an 710065,China;2.Xi′an Key Laboratory of Wellbore Integrity Evaluation,Xi′an 710065,China)
Abstract:To study the influence of air seal detection on the sealing performance of special threaded tubing joints,the finite element models of two special threaded joints were established through finite element software,spherical-cone,and cone-cone,the left end face of the coupling was fixed,the right end face of the tubing was subjected to a constant axial tension of 650 kN,and the internal pressure load(55 MPa,80 MPa, 100 MPa,110 MPa)was applied to the inner surface of the tubing and the coupling,the contact properties of the tubing and the coupling were set,and the constant axial tension and different internal pressure were analyzed.Sealing surface contact pressure and equivalent force.The results show that when the axial tension is kept constant,four kinds of internal pressure loads of 55 MPa,80 MPa,100 MPa,and 110 MPa are applied,of which when the internal pressure load is 110 MPa,the equivalent force,and contact pressure are the maximum,and when the internal pressure is greater than 100 MPa,the maximum contact pressure increase decreases and the maximum equivalent effect force increases.When the internal pressure is increased from 100 MPa to 110 MPa,the maximum equivalent force of spherical-cone and cone-cone special thread joints increases by 1.81%and 1.23%,and the air seal detection has little effect on the sealing performance of cone-cone special threaded joints.
Key words:gas seal detection;premium connection;contact pressure;equivalent stress;sealing performance
0引言
目前，井油管在高压气井工况下入井时，需要对特殊螺纹接头进行多次气密封检测[1]。气密封检测时，井口油管处于悬吊拉伸状态，会受到向下的拉力。所以，在进行气密封检测时，需要考虑特殊螺纹接头在拉伸载荷和内压载荷下对密封面的密封性能的影响[2-3]。
关于油管的气密封检测研究，国内外学者开展了大量的研究工作。Liu等[4]以一种套管为分析对象，构建函数来评估密封的可靠性，并利用有限元方法对荷载包络进行仿真。Ernens等[5]使用实验装置和随机数值密封模型研究金属对金属密封的密封机理，利用结果验证了随机数值密封模型的密封性。张颖等[6]建立了动力荷载作用下油管连接密封面接触应力的力学模型，讨论了接触应力和密封球面半径对优质连接密封性能的影响。金根泰等[7]通过检测装置的液气动力系统、增压系统、检测执行系统和控制系统对螺纹连接进行气密封性能检测。李海伟等[8]利用气密封检测技术对储气库注采完井管柱螺纹进行密封检测，有效剔除泄漏管柱入井，避免因螺纹泄漏引发环空带压。黄琳等[9]通过一种套管丝扣气密封检测技术，在丝扣处打入高压氦气，通过在丝扣处检验是否有氦气渗漏来判断套管丝扣连接是否合格。李凡等[10]通过有限元法，建立锥面对锥面特殊螺纹接头有限元模型，分析在不同内压与轴向循环载荷作用下特殊螺纹接头密封面处能量耗散情况。曹银萍[11]等通过有限元分析了接头受拉力一侧密封面上的接触压力随着轴向压缩载荷的增大而减小，特殊螺纹接头可能会发生密封失效。
综上所述，国内外学者只考虑到了特殊螺纹接头密封性能在井下工作时失封，没有考虑到对密封面进行气密封检测时造成密封性能失效。为了解气密封检测对特殊螺纹接头密封性能的伤害程度[12]，本文使用特殊螺纹接头，通过有限元软件建立了球面-锥面和锥面-锥面两种特殊螺纹接头有限元模型，在恒定拉力、不同内压作用下对31/2″×7.34 mm P110钢级球面-锥面和锥面-锥面2种密封结构特殊螺纹接头密封面上接触压力和等效应力进行了分析[13]。
1特殊螺纹接头有限元模型建立
1.1特殊螺纹接头模型建立
在有限元软件中建立31/2″×7.34 mm P110某特殊螺纹接头，密封结构采用球面-锥面和锥面-锥面2种密封结构，分别如图1和图2所示。特殊螺纹参数为：2种结构特殊螺纹接头均为偏梯形特殊螺纹；油管接头锥度均为1∶16；承载面角为3°，导向面角为10°。球面-锥面特殊螺纹接头为变螺距螺纹，内螺纹前段(靠近密封面)螺距小于中段螺纹，内螺纹后段(靠近管体)螺距大于中段螺距，其中球面-锥面线密封结构的封面半径为0.146 mm。锥面-锥面特殊螺纹接头内外螺距恒定，密封面锥度为1∶2。
1.2载荷条件及相关参数的设置
设置边界条件，将接箍左端面固定，油管右端面施加恒定轴向拉力650 kN，在油管和接箍的内表面施加不同内压载荷(55、80、100、110 MPa)，根据相互作用属性，设置特殊螺纹接头密封面、螺纹牙导向面与承载面处接触对，其中接箍为从面、油管为主面。在有限元仿真中的相互作用属性中设置接触属性，切向行为设置为罚函数，摩擦系数为0.1[14]；法向行为设置为硬接触，执行方法为默认状态。材料弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，110钢级油管材料屈服强度为758 MPa，抗内压强度为109.6 MPa。
2有限元计算结果与分析
2.1球面-锥面特殊螺纹接头在不同内压作用下密封面接触压力和应力分析
通过建立有限元模型，分析球面-锥面特殊螺纹接头在恒定拉力650 kN、不同内压(55、80、100、110 MPa)作用下的密封面接触压力和等效应力，如图3所示。内压大于100 MPa时，最大接触压力增幅减小，最大等效应力增幅增加。由图4~5所示，由于内压的增加，接头的密封面处的挤压越紧密，会出现应力集中现象，其密封性能容易被破坏。
球面-锥面特殊螺纹接头密封面为线密封结构，接触面较窄，靠高压保证密封，此处接触压力为压应力，所以密封面处产生适量的塑性变形仍可保证密封。因此，虽然内压100 MPa时接头密封面最大等效应力超过了管材的屈服极限，仍可保证密封。但当内压由100 MPa增至110 MPa时，最大等效应力增幅增大，变化幅度为1.81%。由于100~110 MPa的接触压力增幅小于55~80 MPa，其密封性能可能由于材料的变形破坏而下降。
2.2锥面-锥面特殊螺纹接头在不同内压作用下密封面接触压力和应力分析
在恒定拉力650 kN、不同内压(55、80、100、110 MPa)作用下，锥面-锥面特殊螺纹接头的密封面上的等效应力和接触压力分布如图6所示。由于内压的增加，特殊螺纹接头密封面处出现应力集中现象，其原因是密封面处的挤压强度增加，其密封性能容易在高压下被破坏，如图7~8所示。
锥面-锥面特殊螺纹接头为面-面密封结构，其密封性能由密封面上接触面积的接触压力决定。当内压为55 MPa时，接头密封面上最大等效应力约等于材料的屈服应力，密封面处产生微小的塑性变形，有利于保证接头的密封。内压100 MPa时接头密封面最大等效应力超过了管材的屈服极限，仍可保证密封。但当内压由100 MPa增至110 MPa时，最大等效应力增幅增大，变化幅度为1.23%，但接触压力增幅减小。由于100~110 MPa的接触压力增幅小于55~80 MPa，其密封性能可能由于材料的变形破坏而下降。
3结束语
为了解气密封检测对油管接头的“伤害”情况，以31/2″×7.34 mm P110钢级球面-锥面和锥面-锥面2种特殊螺纹油管接头为研究对象，用有限元法计算恒定轴向拉力650 kN与不同内压(55、80、100、110 MPa)作用下接头密封面接触压力和等效应力分布规律，进而分析接头的密封性能。
(1)综合以上2种接头有限元应力分析结果，由特殊螺纹接头密封面上的等效应力和接触压力分布图可知，在轴向拉力为650 kN的作用下，内压大于100 MPa发生塑性变形破坏密封性能，所以在进行气密封性能时，内压不宜过大，以免伤害接头的密封结构。
(2)保持轴向拉力不变，球面-锥面特殊螺纹接头在内压由100 MPa增至110 MPa时，最大等效应力增幅增大，变化幅度为1.81%；锥面-锥面特殊螺纹接头在内压由100 MPa增至110 MPa时，最大等效应力变化幅度为1.23%，说明锥面-锥面特殊螺纹接头密封性能优于球面-锥面特殊螺纹接头。
(3)根据两种接头有限元应力分析结果，保持轴向拉力650 kN不变，在内压为55 MPa时，接头密封面上最大等效应力约等于材料的屈服应力，密封面处产生微小的塑性变形，有利于保证接头的密封。内压为100 MPa时接头密封面最大等效应力超过了管材的屈服极限，仍可保证密封。
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