特殊螺紋接頭密封面接觸壓力概率分布數值分析.doc

特殊螺紋接頭密封可靠性數值分析申昭熙 王鵬 李磊（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安市電子二路32號，710065）作者簡介：申昭熙，男，1976年1月出生，籍貫河南范縣，中級工程師。2004年畢業(yè)于西安交通大學，碩士，現從事石油套管和油管的使用性能檢測、適用性評價研究、管柱的可靠性分析及完整性管理等，E-mail: 。摘要：對帶金屬對金屬密封結構的特殊螺紋接頭來說，保證接頭的密封可靠性是很重要的。由于實際加工的接頭參數是在一個范圍內變化的，所以金屬密封面上接觸壓力也是變化的。本文建立了利用有限元概率分析功能研究密封面上接觸壓力分布的方法，分析了特殊接頭在錐度、密封直徑、載荷等多個參數隨機變化條件下的密封面接觸壓力的分布，計算了密封可靠性。結果顯示不合適的螺紋參數匹配將導致密封面在拉伸載荷作用下失去密封能力。使用本文的特殊螺紋接頭可靠性分析方法有助于優(yōu)化螺紋密封結構與參數加工公差設計，進行管柱的可靠性設計與剩余壽命評估，提高接頭的密封可靠性。組合關鍵詞 特殊螺紋接頭，密封直徑，有限元分析，接觸壓力 中圖分類號：O21，TE3Simulation analysis of seal reliability of premium connectionShen Zhaoxi, Wang Peng, Li Lei(Tubular Goods Research Center of CNPC, Xian, 710065)Abstract: For premium connection with metal-metal seal, the reliability of seal if very important. In fact, the geometric parameters of connection vary in the determined scope which leads to the variation of contact pressure on the seal surface. This paper established the research method of contact pressure distribution with finite element analysis and calculated the reliability of premium connection seal. The result shows the improper combination of geometric parameters will bring the zero contact pressure to the premium connection seal surface under tension load, this is to say, the connection has lost the seal ability. The reliability analysis will help to optimize the design and machining tolerance of premium connection structure, analyze the reliability and residual life of tubing and casing string and improve the seal reliability of premium connection.Key words: premium connection, seal diameter, finite element analysis, contact pressure 1、引言由于結構上的原因，APl螺紋接頭的氣密封性能、抗扭矩及壓縮載荷的性能較差，不適用于有高氣密封要求或復雜工況的深井超深井。為此各大油套管生產廠開發(fā)了帶金屬對金屬密封的特殊螺紋接頭，并得到廣泛應用。由于各接頭生產廠設計的螺紋與密封結構不同，特殊螺紋接頭密封可靠性不同。主要表現為：在密封試驗中，有的試樣通過了試驗，另有一些試樣卻未能通過試驗；檢測評價合格的特殊螺紋接頭，井下應用一段時候后，仍然有泄漏發(fā)生。這表明，按訂貨技術條件檢測合格的特殊螺紋接頭不能保證其性能百分之百合格，可靠性不能滿足要求。研究發(fā)現，特殊螺紋的結構一旦確定，確定螺紋和密封的加工參數公差范圍尤為重要。很多文獻14僅研究了接頭參數為名義值時接頭的性能，如密封面接觸壓力，以此評價接頭密封性能。實際生產加工過程中，接頭螺紋及密封面的參數是變化的，不同類型的特殊螺紋接頭參數控制的范圍也不相同，如密封直徑公差有的為0.03mm，有的為0.05mm。在接頭結構參數發(fā)生變化時，密封面的密封性能肯定也會發(fā)生變化。金屬對金屬密封結構是由金屬表面過盈配合而實現密封的。由于密封面長度有限，不是理想光滑，密封面上必須有一定的密封壓力，克服由于表面的凸凹不平，才能實現接頭的可靠密封。同時發(fā)生嚙合接觸的長度也要大于一定的值，才能保證表面凸凹不會形成氣體通道。同等條件下，接觸壓力和接觸長度越大，密封性能越好5。在一定意義上，研究密封面上的接觸壓力和嚙合接觸長度的分布，即可分析出密封面的密封可靠性。文獻5研究了靜態(tài)載荷作用下改變接觸壓力后密封性能的改變，分析了螺紋脂、密封面狀態(tài)、載荷歷史等對密封性能的影響。本文利用有限元軟件的概率分析功能，建立了計算密封面接觸壓力分布的方法，給出了錐度、中徑、密封直徑、承載面角度、載荷、材料強度等多參數變化條件下的接頭密封可靠性分析示例，為特殊螺紋接頭結構設計優(yōu)化和井下管柱安全可靠性分析奠定了基礎。2、密封面接觸壓力分布數值分析方法影響金屬密封接頭密封可靠性的因素較多，接頭的錐度、中徑、材料強度等參數變化時，都將導致密封面密封性能的變化。盡管金屬/金屬密封結構具有很高的密封可靠性，但由于特殊螺紋接頭密封面為一個圓筒形曲面，該曲面上任何一處接觸的不連續(xù)都會造成密封失效。除上述材料、結構與載荷參數外，密封面的光潔度及處理方法也是很重要的因素。由于機械加工的特性，密封面微觀上不像實際看到的那么光滑，如圖1所示。為了保證阻塞這些空隙，接頭上扣時要涂抹帶金屬填料的螺紋脂，同時要保證密封面上有足夠的密封壓力，使接觸點產生較大的彈性或塑性變形，建立密封面的全接觸狀態(tài)。經過上卸扣后的密封面形貌如圖2所示，顯示密封面上產生了塑性變形，文獻5也提到了密封面上塑性變形的存在。因此接觸壓力必須達到一定程度，才能完全阻塞密封面上的凸凹不平。如果接觸長度太短，局部凸凹的存在使得空隙很難完全被阻塞。為了分析金屬密封面密封的可靠性，首先要知道在上述參數隨機變化的條件下，接頭密封性能的分布，也即密封面接觸壓力和接觸長度的概率分布情況。 （a）機加工原始形貌 （b）噴丸處理后的形貌圖1 密封面微觀形貌 （a）機加工原始形貌變形 （b）噴丸處理后的形貌變形圖2 上卸扣后密封面微觀形貌由于特殊螺紋接頭結構的復雜性，同時還要考慮材料、接觸的非線性，從理論上分析接觸壓力的概率分布是不可能的，必須引入數值方法。目前有幾個大型有限元分析軟件都提供了數值分析目的參數概率分布的功能。以ANSYS軟件為例，它的概率設計系統(tǒng)（PDS，Probabilistic Design System）可用來評估模型的輸入參數或假設條件的不確定性對于結果的影響，確定由于模型的某些因素不確定而引起結果的變化程度。PDS認為分析模型的任何一個輸入數值都是某個范圍內的隨機數（或者說存在某種程度上的不確定性），這種隨機情況主要由設計及加工控制能力確定。用PDS分析特殊接頭密封可靠性的過程為：1）按靜力分析過程建立參數化有限元模型，并進行一次靜力分析。2）進入PDS模塊，指定利用上述靜力計算文件為概率分析文件。3）指定對密封壓力可能有影響的參數為隨機輸入參數，并給出分布參數。分布參數可根據工廠大量檢測數據結果進行統(tǒng)計分析得到。4）指定最大密封接觸壓力和密封面接觸長度為目的參數。5）利用蒙特卡羅方法進行模擬分析。6）對目的參數進行敏感性分析，確定主要影響參數。7）對目的參數進行統(tǒng)計分析，確認分布類型，計算密封可靠度。3、密封面接觸壓力概率分析示例按上述步驟，用大型有限元軟件ANSYS對88.9mm6.45mm N80鋼級的某種特殊接頭進行密封可靠性分析。根據對大量全尺寸試驗結果的分析，拉伸載荷對密封性能的影響最大，多數泄漏現象是在較大的拉伸載荷作用時發(fā)生的。因此主要考慮在軸向拉伸載荷作用下接頭的密封可靠性。建立有限元模型時，忽略螺紋螺旋升角的影響，將接頭視為軸對稱結構，采用大變形彈塑性非線性有限元方法進行分析，選用的面單元類型為軸對稱三角形單元，接觸類型為有摩擦的自由滑動，采用稀疏矩陣求解器。選取的影響參數及取值范圍見表1，參數說明如圖3所示。有限元模型如圖4，在接箍中部施加對稱位移約束，在管體端部施加拉伸載荷。利用ANSYS軟件進行特殊螺紋接頭密封接觸壓力概率分析，難點是如何自動建立特殊螺紋接頭模型，包括幾何模型、自動建立接觸、確定目標參數等，尤其是外螺紋的黑皮螺紋的處理更是關鍵，否則就會導致不收斂、單元變形過大等問題，分析不下去。經過對建模過程優(yōu)化，本文保證了所有黑皮螺紋齒頂部位的鈍化處理，避免了有尖銳角度的單元存在，實現了特殊螺紋接頭有限元分析模型的自動建立。由于分析過程涉及到接觸、大變形與材料塑性等多種非線性，螺紋齒底單元必須細化，所以整個計算分析過程耗時很長。經過對單元尺寸的優(yōu)化處理，在保證精度的基礎上，把每次分析過程耗時控制在2個小時以內，共進行了50次分析。表1 可靠性分析參數分布類型表參數正態(tài)分布參數參數正態(tài)分布參數最大值最小值最大值最小值外螺紋中徑87.895mm87.77mm材料屈服強度717 MPa606 MPa外螺紋密封直徑84.035mm83.917mm軸向拉伸應力590MPa526 MPa內螺紋中徑87.692mm87.570mm/內螺紋密封直徑83.809mm83.701mm/均勻分布參數螺紋承載面角度3.062.94最大值最小值螺紋導向面角度10.059.93螺紋錐度65.9mm/m61.0mm/m密封面角度8.338.23材料彈性模量214559187308臺肩角度8.047.95臺肩軸向過盈0.050.01 （a）外螺紋 （b）內螺紋圖3 參數說明 （a）幾何模型 （b）網格模型圖4 有限元模型有限元概率分析結果如圖5所示，其中圖5（a）是密封面上最大接觸壓力分布，圖5（b）是密封面接觸長度分布。結果顯示，在一定的載荷、接頭參數與材料參數組合條件下，密封面上的接觸壓力很為0，密封面接觸長度也是0mm。密封面上最大接觸壓力與接觸長度的分布如圖5，分布參數見表2。結果顯示，最大接觸壓力接近正態(tài)分布，密封接觸長度則基本穩(wěn)定在較大值。 （a）最大密封壓力頻率分布 （b）密封接觸長度頻率分布圖5 表2 最大接觸壓力與接觸長度的分布參數平均值標準方差最大值最小值接觸壓力（MPa）467.5239.0931.60接觸長度（mm）0.47100.23570.63230如上所述，為了避免密封面上凸凹不平形成氣體泄漏通道，接頭密封面接觸壓力和接觸長度必須滿足一定條件。文獻5提出接觸壓力的積分必須滿足一定條件才可保證密封性，對確定的結構來說，接觸壓力大，接觸長度就大，最主要的是足夠的壓力消除表面的凸凹空隙，足夠的長度保證殘留空隙不形成通道。對示例88.9mm6.45mm N80鋼級特殊接頭，假設同時滿足以下條件才能保證密封：1）接觸壓力大于100MPa。2）接觸長度應大于0.1mm。50次計算（模擬50個接頭的隨機參數組合），有7次不滿足。計算結果顯示，50次計算（模擬50個接頭的隨機參數組合）中有7次不滿足上述條件，且。據此計算示例接頭密封可靠度為：即該接頭在表1規(guī)定參數下加工，密封的可靠度為86%。對于4000米的井深，約有400個接頭，在此條件下的密封可靠度為6.310-27，即肯定發(fā)生泄漏。當然，如果使用性能優(yōu)良的螺紋脂，或降低密封面的粗糙度，或對密封面進行特殊的表面處理，可以降低密封面接觸壓力與接觸長度的要求，從而提高接頭密封可靠度。但是表2顯示，如果不改變接頭加工控制參數，接觸壓力和接觸長度都有為0的可能，可以肯定的是，即使完善密封面的表面技術，也不能保證較大的密封可靠度。討論與總結綜上所述，特殊螺紋接頭的密封性能與螺紋、密封面、材料及載荷相關，具有不確定性，可利用成熟有限元軟件的概率分析功能來模擬計算特殊接頭密封可靠度。對特殊螺紋接頭計算示例表明，一定的加工參數組合下，密封面上的接觸壓力的為0，接觸長度也為0，無法保證接頭的密封性。在設定的條件下，示例接頭密封可靠度僅為86%。即使通過改善螺紋脂、密封面質量等因素，沒有接觸壓力的情況下，接頭也肯定發(fā)生泄漏。有了單個接頭的密封可靠度的計算方法，就可以計算整個管柱的密封可靠度，進行管柱的可靠性設計與剩余壽命評估，優(yōu)化螺紋密封結構與參數加工公差設計，提高接頭的密封可靠性。參考文獻1 Jun Takano, Masao Yamaguchi. Hidenori Kunishige. Development of Premium Connection “KSBEAR” for Withstanding High Compression. KAWASAKI STEEL TECHNICAL REPORT, No. 47 December 2002:14-222 Eiji TSURU, Kunihiko OKAMURA, Yasushi TSUJANO,etc. Dope-free Type Premium Connection for Oil Country Tubular Good