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1、特殊螺纹接头密封可靠性数值分析申昭熙 王鹏 李磊（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安市电子二路32号，710065）作者简介：申昭熙，男，1976年1月出生，籍贯河南范县，中级工程师。2004年毕业于西安交通大学，硕士，现从事石油套管和油管的使用性能检测、适用性评价研究、管柱的可靠性分析及完整性管理等，E-mail: tzyshenzhaoxi。摘要：对带金属对金属密封结构的特殊螺纹接头来说，保证接头的密封可靠性是很重要的。由于实际加工的接头参数是在一个范围内变化的，所以金属密封面上接触压力也是变化的。本文建立了利用有限元概率分析功能研究密封面上接触压力分布的方法，分析了特殊接头在锥度、密
2、封直径、载荷等多个参数随机变化条件下的密封面接触压力的分布，计算了密封可靠性。结果显示不合适的螺纹参数匹配将导致密封面在拉伸载荷作用下失去密封能力。使用本文的特殊螺纹接头可靠性分析方法有助于优化螺纹密封结构与参数加工公差设计，进行管柱的可靠性设计与剩余寿命评估，提高接头的密封可靠性。组合关键词 特殊螺纹接头，密封直径，有限元分析，接触压力 中图分类号：O21，TE3Simulation analysis of seal reliability of premium connectionShen Zhaoxi, Wang Peng, Li Lei(Tubular Goods Research C
3、enter 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
4、 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,
5、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.Ke
6、y words: premium connection, seal diameter, finite element analysis, contact pressure 1、引言由于结构上的原因，APl螺纹接头的气密封性能、抗扭矩及压缩载荷的性能较差，不适用于有高气密封要求或复杂工况的深井超深井。为此各大油套管生产厂开发了带金属对金属密封的特殊螺纹接头，并得到广泛应用。由于各接头生产厂设计的螺纹与密封结构不同，特殊螺纹接头密封可靠性不同。主要表现为：在密封试验中，有的试样通过了试验，另有一些试样却未能通过试验；检测评价合格的特殊螺纹接头，井下应用一段时候后，仍然有泄漏发生。这表明，按订货技术
7、条件检测合格的特殊螺纹接头不能保证其性能百分之百合格，可靠性不能满足要求。研究发现，特殊螺纹的结构一旦确定，确定螺纹和密封的加工参数公差范围尤为重要。很多文献14仅研究了接头参数为名义值时接头的性能，如密封面接触压力，以此评价接头密封性能。实际生产加工过程中，接头螺纹及密封面的参数是变化的，不同类型的特殊螺纹接头参数控制的范围也不相同，如密封直径公差有的为0.03mm，有的为0.05mm。在接头结构参数发生变化时，密封面的密封性能肯定也会发生变化。金属对金属密封结构是由金属表面过盈配合而实现密封的。由于密封面长度有限，不是理想光滑，密封面上必须有一定的密封压力，克服由于表面的凸凹不平，才能实现
8、接头的可靠密封。同时发生啮合接触的长度也要大于一定的值，才能保证表面凸凹不会形成气体通道。同等条件下，接触压力和接触长度越大，密封性能越好5。在一定意义上，研究密封面上的接触压力和啮合接触长度的分布，即可分析出密封面的密封可靠性。文献5研究了静态载荷作用下改变接触压力后密封性能的改变，分析了螺纹脂、密封面状态、载荷历史等对密封性能的影响。本文利用有限元软件的概率分析功能，建立了计算密封面接触压力分布的方法，给出了锥度、中径、密封直径、承载面角度、载荷、材料强度等多参数变化条件下的接头密封可靠性分析示例，为特殊螺纹接头结构设计优化和井下管柱安全可靠性分析奠定了基础。2、密封面接触压力分布数值分析
9、方法影响金属密封接头密封可靠性的因素较多，接头的锥度、中径、材料强度等参数变化时，都将导致密封面密封性能的变化。尽管金属/金属密封结构具有很高的密封可靠性，但由于特殊螺纹接头密封面为一个圆筒形曲面，该曲面上任何一处接触的不连续都会造成密封失效。除上述材料、结构与载荷参数外，密封面的光洁度及处理方法也是很重要的因素。由于机械加工的特性，密封面微观上不像实际看到的那么光滑，如图1所示。为了保证阻塞这些空隙，接头上扣时要涂抹带金属填料的螺纹脂，同时要保证密封面上有足够的密封压力，使接触点产生较大的弹性或塑性变形，建立密封面的全接触状态。经过上卸扣后的密封面形貌如图2所示，显示密封面上产生了塑性变形，
10、文献5也提到了密封面上塑性变形的存在。因此接触压力必须达到一定程度，才能完全阻塞密封面上的凸凹不平。如果接触长度太短，局部凸凹的存在使得空隙很难完全被阻塞。为了分析金属密封面密封的可靠性，首先要知道在上述参数随机变化的条件下，接头密封性能的分布，也即密封面接触压力和接触长度的概率分布情况。 （a）机加工原始形貌 （b）喷丸处理后的形貌图1 密封面微观形貌 （a）机加工原始形貌变形 （b）喷丸处理后的形貌变形图2 上卸扣后密封面微观形貌由于特殊螺纹接头结构的复杂性，同时还要考虑材料、接触的非线性，从理论上分析接触压力的概率分布是不可能的，必须引入数值方法。目前有几个大型有限元分析软件都提供了数值
11、分析目的参数概率分布的功能。以ANSYS软件为例，它的概率设计系统（PDS，Probabilistic Design System）可用来评估模型的输入参数或假设条件的不确定性对于结果的影响，确定由于模型的某些因素不确定而引起结果的变化程度。PDS认为分析模型的任何一个输入数值都是某个范围内的随机数（或者说存在某种程度上的不确定性），这种随机情况主要由设计及加工控制能力确定。用PDS分析特殊接头密封可靠性的过程为：1）按静力分析过程建立参数化有限元模型，并进行一次静力分析。2）进入PDS模块，指定利用上述静力计算文件为概率分析文件。3）指定对密封压力可能有影响的参数为随机输入参数，并给出分布参
12、数。分布参数可根据工厂大量检测数据结果进行统计分析得到。4）指定最大密封接触压力和密封面接触长度为目的参数。5）利用蒙特卡罗方法进行模拟分析。6）对目的参数进行敏感性分析，确定主要影响参数。7）对目的参数进行统计分析，确认分布类型，计算密封可靠度。3、密封面接触压力概率分析示例按上述步骤，用大型有限元软件ANSYS对88.9mm6.45mm N80钢级的某种特殊接头进行密封可靠性分析。根据对大量全尺寸试验结果的分析，拉伸载荷对密封性能的影响最大，多数泄漏现象是在较大的拉伸载荷作用时发生的。因此主要考虑在轴向拉伸载荷作用下接头的密封可靠性。建立有限元模型时，忽略螺纹螺旋升角的影响，将接头视为轴对
13、称结构，采用大变形弹塑性非线性有限元方法进行分析，选用的面单元类型为轴对称三角形单元，接触类型为有摩擦的自由滑动，采用稀疏矩阵求解器。选取的影响参数及取值范围见表1，参数说明如图3所示。有限元模型如图4，在接箍中部施加对称位移约束，在管体端部施加拉伸载荷。利用ANSYS软件进行特殊螺纹接头密封接触压力概率分析，难点是如何自动建立特殊螺纹接头模型，包括几何模型、自动建立接触、确定目标参数等，尤其是外螺纹的黑皮螺纹的处理更是关键，否则就会导致不收敛、单元变形过大等问题，分析不下去。经过对建模过程优化，本文保证了所有黑皮螺纹齿顶部位的钝化处理，避免了有尖锐角度的单元存在，实现了特殊螺纹接头有限元分析
14、模型的自动建立。由于分析过程涉及到接触、大变形与材料塑性等多种非线性，螺纹齿底单元必须细化，所以整个计算分析过程耗时很长。经过对单元尺寸的优化处理，在保证精度的基础上，把每次分析过程耗时控制在2个小时以内，共进行了50次分析。表1 可靠性分析参数分布类型表参数正态分布参数参数正态分布参数最大值最小值最大值最小值外螺纹中径87.895mm87.77mm材料屈服强度717 MPa606 MPa外螺纹密封直径84.035mm83.917mm轴向拉伸应力590MPa526 MPa内螺纹中径87.692mm87.570mm/内螺纹密封直径83.809mm83.701mm/均匀分布参数螺纹承载面角度3.0
15、62.94最大值最小值螺纹导向面角度10.059.93螺纹锥度65.9mm/m61.0mm/m密封面角度8.338.23材料弹性模量214559187308台肩角度8.047.95台肩轴向过盈0.050.01 （a）外螺纹 （b）内螺纹图3 参数说明 （a）几何模型 （b）网格模型图4 有限元模型有限元概率分析结果如图5所示，其中图5（a）是密封面上最大接触压力分布，图5（b）是密封面接触长度分布。结果显示，在一定的载荷、接头参数与材料参数组合条件下，密封面上的接触压力很为0，密封面接触长度也是0mm。密封面上最大接触压力与接触长度的分布如图5，分布参数见表2。结果显示，最大接触压力接近正态分
16、布，密封接触长度则基本稳定在较大值。 （a）最大密封压力频率分布 （b）密封接触长度频率分布图5 表2 最大接触压力与接触长度的分布参数平均值标准方差最大值最小值接触压力（MPa）467.5239.0931.60接触长度（mm）0.47100.23570.63230如上所述，为了避免密封面上凸凹不平形成气体泄漏通道，接头密封面接触压力和接触长度必须满足一定条件。文献5提出接触压力的积分必须满足一定条件才可保证密封性，对确定的结构来说，接触压力大，接触长度就大，最主要的是足够的压力消除表面的凸凹空隙，足够的长度保证残留空隙不形成通道。对示例88.9mm6.45mm N80钢级特殊接头，假设同时满
17、足以下条件才能保证密封：1）接触压力大于100MPa。2）接触长度应大于0.1mm。50次计算（模拟50个接头的随机参数组合），有7次不满足。计算结果显示，50次计算（模拟50个接头的随机参数组合）中有7次不满足上述条件，且。据此计算示例接头密封可靠度为：即该接头在表1规定参数下加工，密封的可靠度为86%。对于4000米的井深，约有400个接头，在此条件下的密封可靠度为6.310-27，即肯定发生泄漏。当然，如果使用性能优良的螺纹脂，或降低密封面的粗糙度，或对密封面进行特殊的表面处理，可以降低密封面接触压力与接触长度的要求，从而提高接头密封可靠度。但是表2显示，如果不改变接头加工控制参数，接触
18、压力和接触长度都有为0的可能，可以肯定的是，即使完善密封面的表面技术，也不能保证较大的密封可靠度。讨论与总结综上所述，特殊螺纹接头的密封性能与螺纹、密封面、材料及载荷相关，具有不确定性，可利用成熟有限元软件的概率分析功能来模拟计算特殊接头密封可靠度。对特殊螺纹接头计算示例表明，一定的加工参数组合下，密封面上的接触压力的为0，接触长度也为0，无法保证接头的密封性。在设定的条件下，示例接头密封可靠度仅为86%。即使通过改善螺纹脂、密封面质量等因素，没有接触压力的情况下，接头也肯定发生泄漏。有了单个接头的密封可靠度的计算方法，就可以计算整个管柱的密封可靠度，进行管柱的可靠性设计与剩余寿命评估，优化螺
19、纹密封结构与参数加工公差设计，提高接头的密封可靠性。参考文献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 Connec
20、tion for Oil Country Tubular Goods. NIPPON STEEL TECHNICAL REPORT, No.81 2000 january:69-733 A. B. Bradley, S. Nagasaku, E. Verger. Premium Connection Design, Testing, and Installation for HPHT Sour Wells. Society of Petroleum Engineers. SPE High Pressure-High Temperature Sour Well Design Applied Te
21、chnology Workshop held in The Woodlands, Texas, U.S.A., 17-19 May 2005. SPE 975854 Kirk Hamilton, Brian Wagg, Tim Roth. Using Ultrasonic Techniques to Accurately Examine Seal Surface Contact Stress in Premium Connections5G. R. Murtagian, V. Fanelli, J. A. Villasante, etc. Sealability of Stationary Metal-to-Metal Seals. Journal of Tribology, JULY 2004, Vol. 126:591:596
