【摘要】：油套管是石油和天然氣生產(chǎn)的重要部件,其用量十分巨大,目前已經(jīng)占石油工業(yè)用鋼總量的50%左右。螺紋接頭部位是整個(gè)油套管聯(lián)接中最薄弱的環(huán)節(jié),超過80%的失效事故發(fā)生于此,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。油套管內(nèi)、外螺紋的聯(lián)接是空間螺旋曲面在外力作用下的復(fù)雜接觸和變形過程,對于油套管螺紋聯(lián)接中力學(xué)行為研究的關(guān)鍵就是如何精確計(jì)算螺紋聯(lián)接的受力和變形分布、弄清每圈螺紋牙上的受力和變形。油套管螺紋聯(lián)接時(shí),每圈螺紋牙上的變形和受力是一個(gè)傳遞、積累的過程,前后螺紋牙之間的變形和受力存在一定的關(guān)聯(lián)。以往的研究在建立螺紋聯(lián)接的解析模型時(shí),只考慮整體變形而沒有考慮每圈螺紋牙的單獨(dú)變形,使得對油套管聯(lián)接螺紋牙受力分布的計(jì)算精度不高,難以進(jìn)行有效的理論分析和計(jì)算。此外,粘扣現(xiàn)象是螺紋聯(lián)接中的一種主要失效形式,但目前對粘扣失效過程的研究也不夠深入。本文在對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行分析歸納的基礎(chǔ)上,對油套管螺紋擰緊和受拉聯(lián)接下的力學(xué)行為進(jìn)行研究,并對螺紋粘扣失效的過程進(jìn)行試驗(yàn)研究,研究的主要內(nèi)容和成果如下： (1)針對圓柱管螺紋擰緊和受拉過程中的力學(xué)行為進(jìn)行研究,推導(dǎo)出管體外螺紋和接箍內(nèi)螺紋的軸向變形表達(dá)式,推導(dǎo)出圓柱管螺紋擰緊時(shí)螺紋牙齒面上的受力計(jì)算表達(dá)式,推導(dǎo)出圓柱管螺紋受拉聯(lián)接時(shí)螺紋牙齒面上受力分布的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上結(jié)合P-110S油套管螺紋對應(yīng)的圓柱管螺紋參數(shù),分別計(jì)算了圓柱管螺紋在擰緊和受拉聯(lián)接時(shí)螺紋牙接觸齒面上的受力分布規(guī)律； (2)針對圓錐管螺紋上扣過盈和受拉過程的力學(xué)行為進(jìn)行研究,建立了管體外螺紋和接箍內(nèi)螺紋的徑向變形關(guān)系,推導(dǎo)出圓錐管螺紋上扣過盈時(shí)接觸齒面上的接觸壓力表達(dá)式。通過對圓柱管螺紋受拉聯(lián)接解析模型進(jìn)行修正,得到圓錐管螺紋受拉聯(lián)接時(shí)螺紋牙齒面上受力分布的計(jì)算公式,推導(dǎo)出圓錐管螺紋上扣過盈和承受軸向拉伸載荷時(shí)齒面接觸壓力的計(jì)算公式。結(jié)合P-110S圓錐管螺紋,分別計(jì)算了圓錐管螺紋在上扣過盈、受拉以及上扣拉伸時(shí)螺紋牙接觸齒面上的受力分布規(guī)律,同時(shí)還研究了外加厚油套管和不加厚油套管的受力分布區(qū)別； (3)以P-110S油套管螺紋接頭為研究對象,采用非線性有限元軟件ABAQUS對油套管螺紋聯(lián)接進(jìn)行有限元分析,分別研究了在上扣、內(nèi)壓、軸向載荷以及復(fù)雜工況作用下油套管螺紋聯(lián)接的力學(xué)性能,得到了一系列規(guī)律性的曲線。有限元的研究結(jié)果在一定程度上證明了本文所建立的關(guān)于油套管螺紋聯(lián)接的力學(xué)計(jì)算模型是合理的； (4)結(jié)合厚壁圓筒理論,推導(dǎo)出計(jì)算油套管螺紋上扣時(shí)需要的擰緊力矩的計(jì)算模型,并以P-110S油套管螺紋為計(jì)算實(shí)例,對螺紋擰緊力矩計(jì)算模型進(jìn)行了計(jì)算分析,將得到的擰緊力矩與有限元分析的結(jié)果以及無錫西姆萊斯公司實(shí)際操作的上扣扭矩進(jìn)行比較,證明了所建立的上扣扭矩計(jì)算模型是合理的； (5)針對牙形角誤差和牙高誤差進(jìn)行研究,推導(dǎo)并建立了能夠考慮牙形誤差的油套管螺紋聯(lián)接齒面上受力分布的計(jì)算公式,系統(tǒng)研究了牙形角誤差和牙高誤差對螺紋聯(lián)接受力的影響規(guī)律； (6)針對螺紋修齒進(jìn)行研究,建立了能夠考慮修齒影響的油套管聯(lián)接解析力學(xué)計(jì)算模型,該模型可以實(shí)現(xiàn)對修齒螺紋受拉聯(lián)接時(shí)的軸向載荷和齒面載荷分布進(jìn)行計(jì)算,從而可以有效研究螺紋修齒的影響規(guī)律。同時(shí)還系統(tǒng)地研究了修齒參數(shù)、管體和接箍材料的配對、錐角大小、壁厚大小等一系列因素對螺紋聯(lián)接力學(xué)行為的影響規(guī)律,為實(shí)際中修齒參數(shù)的確定、材料配對以及錐角、壁厚大小的確定提供了理論參考； (7)設(shè)計(jì)了一臺(tái)能夠模擬油套管螺紋聯(lián)接的試驗(yàn)裝置,以P-110S油套管螺紋為試驗(yàn)研究對象,分別以幾種不同的齒面接觸應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)研究,觀察了螺紋在擰緊過程中表面形貌隨著不同的加載和摩擦圈數(shù)而發(fā)生改變的過程,分析了接觸應(yīng)力大小對發(fā)生粘扣失效的影響規(guī)律。同時(shí)還進(jìn)行了螺紋拆卸次數(shù)的試驗(yàn)研究,觀察了螺紋齒面逐漸發(fā)生粘扣失效過程的表面形貌,得到的螺紋裝拆次數(shù)與目前工業(yè)界中實(shí)際最大的裝拆次數(shù)是吻合的。 本文的研究內(nèi)容和成果將為油套管螺紋聯(lián)接在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用提供有益的幫助,并可以為油套管螺紋聯(lián)接力學(xué)行為的進(jìn)一步研究和粘扣失效問題的進(jìn)一步研究和預(yù)防提供有益的理論支撐。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH131.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 沙慶云,任毅;石油專用管材生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J];鞍鋼技術(shù);2000年06期

2 杜傳軍;接箍鍍銅對油管抗粘扣性能的影響[J];寶鋼技術(shù);2001年03期

3 王t ,張汝忻,鄒家祥,臧勇;API圓螺紋套管接頭應(yīng)力場分布實(shí)驗(yàn)[J];北京科技大學(xué)學(xué)報(bào);2000年06期

4 王t ,陳兆能,佟德純,鄒家祥,臧勇;套管接頭螺紋滑脫失效有限元模擬[J];北京科技大學(xué)學(xué)報(bào);2001年02期

5 杜秀華,畢鳳琴,付浩,李振鋼;腐蝕在抽油機(jī)井油管疲勞斷裂中的作用[J];大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào);2001年02期

6 杜秀華,張德文,李強(qiáng),李振鋼;抽油機(jī)井油管疲勞斷裂原因[J];大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào);2002年02期

7 楊勇,張毅,高智海,付繼成,張傳友;國產(chǎn)高抗擠套管殘余應(yīng)力初探[J];鋼管;1998年06期

8 李欣,張毅,張汝忻;我國油井管需求量、生產(chǎn)能力及價(jià)格綜合分析[J];鋼管;2000年01期

9 張毅,李欣,張汝忻;推進(jìn)油井管國產(chǎn)化需要注意的幾個(gè)問題[J];鋼管;2000年04期

10 張毅,王治國,于百勤;縮小接箍外徑對油管抗滑脫強(qiáng)度影響的試驗(yàn)分析[J];鋼管;2000年06期

本文編號：2742240