特殊螺纹接头参数对套管连接性能影响的有限元分析

为提升特殊螺纹套管接头的连接性能和密封性能,利用ANSYS软件建立套管特殊螺纹接头参数化有限元分析模型,并基于因素轮换法的基本思想,研究不同结构参数(包括螺纹承载面角度、台肩面角度、螺纹锥度)对套管接头连接性能和密封性能的影响。结果表明,在综合考虑接头的塑性变形和滑脱失效两个方面的影响,承载角应选择一个较小的角度值;在复合载荷工况作用下,负角度的台肩辅助密封的效果要好于直角台肩;套管在上扣力矩和轴向拉伸载荷作用下,当接箍内螺纹锥度等于套管外螺纹锥度时,套管接头的连接性能较好。     

啮合锥度对圆螺纹套管接头强度的影响

基于非线性有限元分析方法,以API8圆螺纹套管接头的连接强度为研究对象,考虑接头在不同锥度啮合情况下的上扣过程,对其在拉伸载荷下的抗滑脱能力进行分析,并提出了相应的滑脱失效判据。分析了接头公、母扣不同啮合锥度对螺纹齿啮合面上应力分布的影响。分析结果表明,啮合锥度的小改变会引起套管接头螺纹齿上局部应力的显著变化,局部的高应力是套管接头失效的主要原因。最后给出了不同锥度啮合下的套管接头的连接强度,并且发现随着啮合锥度增大,套管接头连接强度有减小趋势。     

圆螺纹套管接头应力分布规律研究

根据弹塑性力学理论建立圆螺纹套管接头的计算模型，利用有限元分析和全尺寸实验相结合的方法，详细分析套管接头在使用工况(包括上扣、上扣后加拉伸载荷、上扣后加内压载荷等)下的应力分布规律，指出载荷在各个螺纹牙上分布的不均匀性是制约套管接头性能的主要原因，提出改进接头应力状态、减少应力集中的主要措施。研究结果提高了对套管接头应力水平的认识，对改进套管连接螺纹设计，提高套管接头的连接质量具有一定的参考价值。     

特殊扣套管接头的应力及密封特性分析

以特殊扣螺纹接头为分析对象 ,采用非线性有限元素法 ,分析了套管接头在上扣扭矩、轴向拉伸和内部压力作用下的受力特性。获得了这种特殊扣套管接头密封段、台肩面、螺纹啮合扣面以及管体的应力分布。结果表明 ,采用过盈配合来模拟上扣扭矩的方法具有较好精度。套管接头的薄弱区域在啮合螺纹承载面根部 ,该区域具有显著的应力集中。密封面接触压力随套管内部压力的增大而增大 ,轴向拉力对其影响很小 ,在本文的设计载荷作用下可以保证良好的密封特性     

特殊螺纹油套管接头完整性评估计算分析

针对特殊螺纹油套管接头的主要结构加工参数进行了接头连接和密封性能的评估计算公式推导,并设计完成了一套特殊螺纹接头油套管完整性评估软件。首先,通过对油套管接头失效形式及机理分析,推导出各失效形式对应的临界载荷计算公式;然后,通过对单个螺纹牙的弹性变形分析,建立整体油套管螺纹接头的力学分析模型,结合变形协调方程推导得到接头螺纹牙承载分布求解公式;最后,通过对比临界载荷与实际承载以及密封面总接触压力与管内气体压力完成接头完整性评估。评估结果表明:在相同载荷作用下,TM型接头套管最易发生剪切破坏失效;密封面总接触压力大于管内压力,密封性能良好。     

J55特殊螺纹接头油管的强度性能分析

对J55高强度无台肩特殊螺纹接头油管的上扣性能和四种极限失效方式的应力分布进行分析,该结构油管接头上扣后内壁齐平,有利解决抽油杆对油管的偏磨。对规格为Φ73.02×5.51 mm的J55高强度无台肩特殊螺纹接头油管进行理论建模,上扣分析、四种极限载荷失效方式(拉伸至失效、压缩至失效、内压至失效、外压至失效)的应力分布及理论极限失效载荷分析,螺纹接头在各种条件下的整体应力分布及合理性分析,密封环接触应力分析。有限元分析表明上扣后油管结构应力分布合理;密封环均保持较高的接触应力,与接头对顶的端面作为辅助密封也一直保持较高压力,特氟龙密封环的主密封和端面辅助密封共同起作用,使接头表现出良好的密封能力;四种极限载荷的失效载荷(分别为408.9 k N、584.1 k N、84.0 MPa、87.0 MPa)均高于API标准中该规格圆螺纹的强度要求,螺纹接头应力分布合理。上扣时该规格螺纹接头的螺纹中径过盈量可以适当减少,以提高抗粘扣性能;在四种极限载荷失效方式下,高强度无台肩特殊螺纹接头油管性能较好,均满足API标准中该规格圆螺纹的强度要求;密封环具有良好的主密封和辅助密封效果。     

复合载荷作用下特殊螺纹套管接头性能分析

针对在复合载荷工况下石油套管易失效和易泄漏的问题,对复合载荷作用下套管特殊螺纹接头的应力水平和接触压力沿密封面的分布规律进行了研究。依据材料性能和套管接头的结构特点,对特殊螺纹套管接头进行了简化;运用ANSYS软件建立了套管接头的有限元模型,包括网格划分、加载和约束,然后利用ANSYS接触分析功能模块计算得到了特殊螺纹套管接头在上扣过盈配合、轴向拉力、内压以及复合载荷下的应力云图和接触压力云图,着重研究了套管在不同荷载作用下的连接性能和密封性能。研究结果表明:复合载荷中的各个单一载荷对套管接头的性能影响是不同的;轴向拉伸荷载对扭矩台肩和主密封密封性能影响较大,内部压力的增大能够提高接头的密封性能。     

深水气井套管接头密封圈气密性分析

高压气井的套管在下入过程中,随隔水管在海洋环境中发生弯曲变形或振动,承受非均匀外载,使接头密封结构变形不一致,导致密封性能降低。应用线性Drucker-Prager塑性模型模拟作为套管接头二级密封的聚四氟乙烯密封圈,应用ABAQUS有限元软件建立高压气井套管接头密封模型,并分析聚四氟乙烯密封圈在内外压力作用下环密封面上的接触应力。结果表明:当套管外壁有集中载荷作用时,密封面上接触应力呈波浪形变化;集中载荷作用区域两侧60°位置上的密封面的接触应力最低,是套管密封最容易失效的区域。     

泡沫镍夹层结构自冲铆接头的成形特征及失效机理分析

为揭示泡沫镍夹层结构自冲铆接头的成形特征及失效机理,本文制备了以AA5052铝合金为基板,泡沫镍为夹层的自冲铆接头;采用理论分析与微观组织观察相结合的方法对夹层结构接头成形特征进行系统研究,通过拉伸-剪切试验研究接头的静失效载荷及失效位移,探究了接头的失效机理。结果表明:泡沫镍夹层可增大接头的钉脚张开度,并改善应力分布;铆接过程中泡沫镍能在铆接界面间形成牢固的自润滑物理吸附膜,可提高接头的耐腐蚀性;1mm泡沫镍夹层使接头静失效载荷增加了8.9%;随着泡沫镍夹层厚度的增加,接头的抗拉强度呈降低趋势;泡沫镍夹层结构自冲铆接头的失效模式为铆钉脱离下板,上板主要承受拉伸载荷,下板承受压缩载荷。     

拉伸载荷作用下套管接头的应力分析

针对深井和大位移井中套管存在很大的轴向拉伸和压缩载荷的情况,采用弹塑性接触有限元方法对套管柱中最薄弱的螺纹接头部分进行分析计算,分析AP18牙圆螺纹套管接头在拉伸载荷作用下的应力情况,给出了负荷和各应力沿轴向的分布规律。     

圆螺纹油管上扣扭矩计算方法

上扣扭矩是影响油气井螺纹连接质量的主要影响因素之一。基于FEA建模的简化假设,提出一种新的计算油管上扣扭矩的方法。以N80级套管为例进行有限元分析,利用有限元分析结果和上扣扭矩计算公式求出不同过盈圈数下的上扣扭矩,并与相关标准中给出的上扣扭矩进行对比。结果表明,利用上扣扭矩计算公式所求得的上扣扭矩值与相关标准中规定的数值十分接近。     

优化套管螺纹载荷分布特性的方法

根据套管螺纹的结构和受力特点 ,建立了套管接头在轴向拉力作用下的计算模型 ,分析了载荷在各牙螺纹上的分布特点。在此基础上 ,提出了优化套管螺纹载荷分布特性、减小应力集中的具体方法 ,并依据实用性 ,从螺纹的加工方便考虑 ,提出了外螺纹全部和内螺纹大部分保持螺距不变 ,仅对内螺纹两端 2～ 4牙螺纹变化螺距的近似优化方案。通过有限元方法模拟了优化方法的效果 ,验证了这种方法的可行性。研究结果对改进套管螺纹设计 ,提高套管螺纹的连接质量具有参考价值     

特殊螺纹石油套管连接性能力学分析及计算

应用弹性力学、结构力学等经典力学知识,以20in-ZSB螺纹套管为研究对象,对其相关的连接性能进行力学分析及计算,计算内容包括:螺纹连接的自锁性、拧紧力扭矩、拧紧所需的圈数、抗拉强度、抗弯强度、抗内压强度等.计算结果表明:ZSB螺纹套管具有较强的抗挤压、抗拉伸、抗弯曲载荷的性能和装拆效率高等特点.计算方法和力学模型的建立,对今后特殊螺纹石油套管产品设计计算,有一定的参考价值.     

Duplex positioning method for increasing the fatigue life of threaded connections under eccentric loading

A new method, duplex positioning method DPM, to increase the fatigue lifetime of the threaded connection under eccentric loading is presented. When DPM is applied, the most damaged stud regions periodically are removed from risky positions by a change of the stud’s and nut’s mutual position in the axial direction alongside with a change of the stud’s position in respect to bending plane. The mathematical model for DPM enables us to predict its efficiency. To simulate the fatigue strength of the stud the following was used: Patterson’s and Kenny’s thread deflection factors, solutions for the distributions of the axial load and bending moment along the threads, Neuber’s method for the stress concentration factors in multiplier notches, Heywood’s formulas for the stress due to the thread flank loading and for the combined stresses, as well as the results of the photoelastic analysis of the araldite models under eccentric loading.

     

Three-dimensional finite element analysis of the mechanical properties of helical thread connection

Conventional analytical and numerical methods for the mechanical properties of helical threads are relied on many assumptions and approximations and thus hardly yield satisfied results. A parameterized 3D finite element model of bolted joints with real helical thread geometry is established and meshed with refined hexahedral elements. The Von Mises plasticity criterion, kinematic hardening rule of materials and interfacial contacts are employed to make it possible for the suggested model be able to approach real assembly conditions. Then, the mechanical properties of bolted joints with different thread pitches, thread numbers and modular ratios are investigated, including the contact pressure distribution at joint interfaces, the axial load distribution and stress concentration in screw threads during the loading and unloading process. Simulation results indicate that the load distribution in screw threads produced by the suggested model agrees well the results from CHEN’s photoelastic tests. In addition, an interesting phenomenon is found that tightening the bolt with a large preload first and then adjusting the clamping force by unloading can make the load distribution more uniform and reduce the maximum residual equivalent stress in thread roots by up to 40%. This research provides a simple and practical approach to constructing the 3D finite element model and predicting the mechanical properties of helical thread connection.     

单向载荷作用下向心关节轴承球铰节点的受力性能

在对3种型号向心关节轴承的径向和轴向破坏加载试验的基础上,采用ABAQUS有限元模拟节点各部件之间的接触关系,得到向心关节轴承球铰节点在径向或轴向单一载荷作用下的力学性能、受力特点、破坏模式和破坏机理.结果表明,满足额定载荷要求的向心关节轴承球铰节点具有良好的转动和承载性能,可应用于建筑工程中.     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。     

Predicting connection integrity with consideration of thermo stress

In the conventional gas seal analysis of special threaded joints, the influence of temperature stress caused by the difference between formation temperature and fluid temperature in casing is often neglected. However, the influence mechanism of temperature stress is prerequisite information for accurately predicting the safe operating conditions that prevent a premium connection from being damaged. In this paper, we propose a model that includes these effects to predict the safe operating pressures and temperatures that will prevent seal failure. For the temperature stress, we propose a finite element model of thermal solid coupling. Subsequent stress changes are evaluated by a fully coupled model of thermal solid coupling to analyze the mechanical behavior of the premium connection. We predict the safe operating envelope (SOE) for premium connection failures caused by pressure and temperature perturbations after make-up. Our model predicts that radial pressure is a key factor for connection failure, especially for rapid temperature changes. If the formation temperature is high and the casing fluid temperature is low, the influence of temperature stress will increase under this working condition, resulting in an increase in the probability of failure of premium connections. Compared with conventional premium connection models, the model of thermal solid coupling predicts a smaller SOE when heating the internal casing fluid and a larger envelope when cooling the internal casing fluid. Finally, the heating rate was considered with respect to field applications. The heating rate was also considered, and slower heating/cooling rates can prevent damage to the seal integrity. Finally, the model was applied to explain several laboratory and field experiments and achieved good matches.

     

发动机飞轮螺栓的三维有限元计算分析

结合大功率柴油机性能强化的数值计算，针对螺纹连接几何形状和载荷条件的复杂性，建立了装配实体模型；在考虑柔性曲轴附加转矩的情况下，采用接触分析法对发动机的飞轮螺栓进行了三维有限元计算；得出了螺栓工作状态下最危险点发生的位置，考核了螺栓的疲劳强度安全系数，分析结果表明，螺纹连接是一种弹塑性模型。提出了发动机性能强化后螺栓连接的三种优化设计方案。