应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响.pdf

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1、第38卷第3期石油钻探技术V()l_38O．320】0牟j月PFTR()iEUMI)RIfIIN(TFL、HN1QUESMdv．20】0．．钻井与完井应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响袁鹏斌陈锋王秀梅(1．上海海隆石油管材研究所，上海200949；2．上海市应用数学和力学研究所(上海大学)，上海200072)摘要：钻杆接头是钻柱最薄弱的环节，在钻进过程中极易失效。采用有限元分析方法对钻杆接头的应力特征进行了分析，结果表明，密封面处接触压力分布不均和啮合大端第一螺纹牙处应力集中是影响钻杆接头力学性能的主要因素。在公扣、母扣台肩转角处开应力释放槽可以有效改善钻杆接头的应力分布，降低应

2、力峰值，使VOYIMises应力和接触压力分布更加均匀，有利于提高钻杆接头的承载能力和密封性能。此外，仅在公扣台肩转角处或母扣台肩转角处开应力释放槽也可有效改善接头的应力分布，但效果与公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽相比稍差。关键词：钻杆接头；应力分析；应力释放槽；有限元法中图分类号：TE921．2文献标识码：A文章编号：100卜0890(2010)03—0032—04钻杆是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，复杂，除了传递转盘的扭矩外，还受到拉力(主要钻杆失效事故往往给油田带来巨大的经济损失。统由钻杆自重引起)、内压力(主要由钻井液引起)等计分析表明，65的钻柱失效事故发生在

3、钻杆接头部载荷的作用。钻杆接头的受力分析涉及材料非线位[1]。钻杆接头在使用中的应力分布状态直接决定了性、几何非线性和复杂接触摩擦状况等非线性问钻杆的连接强度和密封性能等。因此，对钻杆接头的题[2]，建立完整而精确的数学模型，求解析解是非应力分布规律进行分析，是提高钻杆使用性能的关键。常困难的。因此，笔者采用有限元法分析钻杆接头的受力情况。1钻杆接头的弹塑性有限元模型1．1有限元模型钻杆由接头处的螺纹连接，公扣与母扣的接笔者以127．0mm双台肩钻杆接头为计算模触面是一个空间螺旋曲面，而且钻杆接头受力较型(见图1)，主要参数为：加厚处外径l68．28mm；公扣台宿转角处母扣台肩转

4、角处图1钻杆接头示意管体外径130．18mrn；内径95．25mm；螺纹锥度收稿日期：2009()1】：改回日期：2()1』)一一1：12。建立模型时，由于钻杆接头螺纹的螺旋升基金项目：国家自然科学基金项目“空气钻井直井易斜机理及其角很小，可以忽略其影响，将其视为轴对称结构。控制技术研究”(编号：506}

5、16j)和上海市科委项目“西部地区高陡另外，接头受到的主要载荷、扭矩、拉力、内压等都构造油气资源快速钻探技术研究”(编号：(1n16j0j)资助作者简介：袁鹏斌(¨59j．男．陕西周至人．1983年毕业于陕具有轴对称特征，故可将问题当成轴对称问题西机械学院金属材料与热处理专业．

6、2()oS午获西南石油大学油气储处理。运专业博士学位高级J-程师博士生孚师．所长．主要从事石油管材采用有限元分析软件Ansys进行建模和分析，失效分析及产品研发方西的工作选用八节点四边形实体单元，螺纹啮合面用接触单联系方式：(o21)3385(¨1‘12．lanp(：ng[)in@yahoo．COI]ICI第誊第3期袁鹏斌等：应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响元划分，接触类型为面面接触。螺纹连接属于应力集中较高的零件，在划分钻杆接头的应力分析网格时要注意单元的疏密程度。在应力梯度变化较大的部位(螺纹牙处)网格应该足够密，而在应2．1无应力释放槽钻杆接头的应力分析力梯度变化较小的部

7、位(管体)，为减小计算量，网根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻格应划分得相对稀疏。模型的有限元单元划分如力取决于间隙的截面积和泄露路径的长度。因此，图2所示。密封设计时应尽量满足以下两个条件。。]：1)接触压力尽可能大(接触压力应该小于材料的屈服强度)，以使泄露路径的面积较小；2)接触面积尽可能大，以使泄露路径的长度较长。根据材料力学，材料开始发生塑性变形时应力必须满足一定的条件，即满足一定的屈服准则。在有限元分析中，钻杆钢材弹塑性屈服的判断依据为yonMises屈服准则，即材料力学中的第四强度理论_4]，其等效应力为：o'i一／÷[(盯1一)。+(2—0"3)+(一1)]

8、V厶(1)图2有限兀网格划分式中，、2、为主应力。力学模型如图3所示(Y轴沿钻杆轴线向上方当等效应力。达到材料的屈服强度时，说明材向)，其中公扣端面施加轴向位移约束，母扣端面施料在该工况下进入塑性状态。结构设计时，应该尽加150MPa的轴向拉伸载荷(相当于927．4kN的可能使应力分布均匀，以降低结构的最大vonMises轴向拉伸载荷)，接头外表面施加径向位移约束，接应力，最大限度地发挥材料的性能。头内表面施加50MPa的压力。钻杆接头在轴向拉伸载荷和内压的作用下，产生的接触压力