常浩 张志谋
陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司 719319
摘要：准确计算出特殊螺纹接头接触应力，有助于接头密封性能的优化与改进。基于此，本文详细阐述了荷载计算、扭矩计算、上扣后应力计算、接触应力影响因素归纳这几个特殊螺纹接头接触应力计算研究环节，实现了对接头接触应力的深入分析，希望能够为特殊螺纹接头密封性设计水平的发展提供助力。
关键词：螺纹接头；接触应力；特殊接头
引言：特殊螺纹接头通常用于油气开采设施的管柱连接，其密封性直接影响着油气开采的安全作业水平，而接头的接触应力情况在很大程度上关系着其密封性，因此，应深入分析特殊螺纹接头的接触应力，并归纳、总结出合理的计算方法，以便于为接头的密封性改善设计工作提供更加详实的依据。
1研究目的
在油气开采作业中，管柱的螺纹接头接触应力受力环境较为复杂，很容易影响螺纹接头的密封性，同时，在采油的中后期，所采用工艺逐步成为超深井、高压气井等，使接头受力更加复杂的工艺，而密封性能是决定安全作业效果的重要因素，因此，常规的API螺纹接头逐渐已无法达到管柱的密封要求，需要工作者设计出具备更好密封性能的特殊螺纹接头。在特殊螺纹接头设计中，密封性能主要取决于，接头的上扣、拉伸、内压、荷载受力变形情况，即上扣后接头的受力变形情况，而受力变形情况的成因均源于接头接触应力的变化，因此，需先计算出特殊螺纹接头的接触应力，才能实现对其密封性能的塑造。为此，研究者希望通过构建出上扣后的接头接触应力模型，来计算出接触应力值，为密封性能设计提供依据。在此过程中，研究者归纳总结了荷载、扭矩的计算方法，以构建接触应力模型，并利用该模型分析出了接触应力影响因素，实现了对接触应力计算的深入研究，希望能够助力油气开采设施的建设发展。
2研究过程
2.1荷载计算
在接头的使用过程中，管柱所承受的各类工作荷载，会通过接触面传递给接头，形成接触应力，影响接头的密封性，因此，在模型构建中，研究者需要先计算出荷载，以确定上扣后的受力边界。一般来说，管柱的工况通常有四种，即下钻完、坐封、开井、关井，而在这四种工况下，管柱所受的荷载包括，井口外压、井口内压、封隔器外压、封隔器内压。在研究中，研究者针对当前最常见的13Cr-110材料螺纹接头，以及油管结构，开展了四种工况下管柱荷载的计算，然后以此为数据基础，同时，采用梁单元，构建了生产完井管柱数值分析模型，并为了方便计算，将模型中的筛管等非必要计算部件部分，简化成了等径的油管，再借助该模型，计算出管柱所需要承受的最大荷载，而根据上述论述，该部分荷载会通过接触面传递到接头，形成作用在螺纹接头上的应力，因此，使用模型计算出的最大荷载，即为螺纹接头上扣后的受力边界。
2.3扭矩计算
待受力边界计算完毕后，研究者考虑到，接触应力值最终形成原理为，管柱通过与接头的接触面传递受力，然后受力值经过扭矩的影响后，所形成了新受力值，才是接头的接触应力，因此，在模型建设中，研究者还需要计算出螺纹的扭矩，以保证接触面积计算的准确性。
在此过程中，考虑到扭矩情况直接受接头结构的影响，所以在扭矩计算之前，研究者要确认此次计算所针对的接头螺纹类型。现阶段，接头的螺纹类型有两种，即齿侧过盈、齿顶-齿根过盈，但由于当前常用的接头螺纹类型以齿侧过盈型为主，因此，研究者定位了齿侧过盈这一接头螺纹结构。此后，在扭矩计算中，此种接头与管道之间的密封接触面，为圆弧接触面，而圆弧面可以被看作多条锥度不同的折线连接形成，所以此处将过盈接触视作锥面过盈接触，然后结合弹性力学理论、拉梅公式、法尔公式、轴向力平衡原理，以及轴向平衡条件，得出了上扣扭矩。
3.3上扣应力建模
在上述计算程序完成后，研究者将受力边界值作为条件，利用上扣扭矩的代数式，构建出了上扣应力模型，以计算既定条件下，接头的接触应力值。在此过程中，研究者还用三坐标测量仪，对特殊螺纹接头材料进行了详细的参数测量，然后基于此，建立了一个接头的三维模型，以模拟上扣过程中，螺纹各个参数值的变化，并从接头材料使用说明书中，获取了密封面过盈量、反扭矩台肩过盈量、副密封面过盈量这几项参数。此后，上述参数值为数据基础，并将这些数据带入到之前建立好的上扣应力模型中，计算出该特殊螺纹接头的密封面、反扭矩台肩、副密封面这几个接头接触位置上，形成的接触应力值。
3.4接触应力影响因素归纳
在计算模型的应用中，研究者为了总结出接触应力的影响因素，为螺纹接头的密封性能设计提供依据，研究者需根据上述计算过程，初步确定可能对接触应力造成影响的因素，并通过模型计算加以验证。在此过程中，接触力最初形成的原因在于管道受力，而从本质上来说，管道受力主要分为两种，即压力、拉力。基于此，研究者将接触应力影响因素初步定位为压力与拉力，其中，由于螺纹接头的结构是固定的，使得其扭矩也处于固定的状态，因此，此次研究未将扭矩考虑在影响因素内。此后，研究者针对压力、拉力这两个因素进行了验证，并通过将不同的拉力、压力值分别带入模型中，最后得出，当压力逐渐增加时，副密封面、反扭矩台肩处的接触应力呈现出了略有上升的状态，但主密封面的接触应力却出现了严重的下降现象，直接造成了应力峰值的下降，而在此情况下，密封性也会随之下降，因此，压力是影响接触应力的因素之一，且压力越大密封性越差。而在拉力因素的验证中，研究者发现，拉力越大接触应力也越大，所以其也是影响接触应力的因素[1]。
3结果分析
经过上述研究后，研究者将此次设计出的接头接触应力计算方法，应用到了实际的特殊螺纹接头设计中，并进行了设计方案使用验证。在此过程中，研究者先为一个常规的螺纹接头建立三维模型，并得出其上扣过程参数，结合对其荷载边界值的计算结果，构建了一个数据基础，然后将这些数据带入了接触应力模型中，再根据接触应力计算结果，通过调整各项影响因素，对常规螺纹接头进行优化设计，最终得出了密封性更加良好的特殊螺纹接头。此后，研究者对该接头进行了应用试验，发现其密封性能顺利达到了预期效果，由此可见，该种接触应力计算方法可行[2]。
结论：综上所述，保证特殊螺纹接头接触应力计算的可靠性，能够提升接头设计水平。经过上述研究，研究者发现通过构建接头应力模型，可以较为准确地得出接触应力值，同时，还能帮助工作者分析出各项影响接触应力的因素，以获得更加全面的接触应力计算结果，增强接头密封性设计效果。
参考文献：
[1]晁利宁,刘云,苑清英. 特殊螺纹接头弹塑性有限元模拟及试验研究[J]. 塑性工程学报,2020,27(10):156-164.
[2]詹先觉,张忠铧,马吉龙. 特殊螺纹接头加工椭圆度影响理论研究[J]. 钢管,2020,49(04):60-63.