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1、鉆鋌螺紋失效及改善措施分析【摘要】在油田開采屮，普遍采用API標準鉆鋌螺紋，它具有密封性高、承載能力強、上卸速度快等優(yōu)點。但隨著定向井、重腐蝕井、深井及超深井等開采的H漸增多，API鉆鋌螺紋的可靠性、密封性已難以滿足油氣井的開采需求，由鉆鋌螺紋失效而引起的事故時常發(fā)生。本文采用有限元軟件（ANSYS）,建立起了螺紋連接的有限元分析模型，對其應力情況加以分析計算，并根據(jù)計算結果，提出了改善螺紋結構工作特性的結構優(yōu)化方案?！娟P鍵詞】鉆鋌螺紋有限元分析失效應力集中1刖§通過眾多鉆井事故的分析，不難發(fā)現(xiàn)由鉆鋌疲勞失效所引發(fā)的
2、事故占據(jù)了很人的比例。實踐表明，鉆鋌螺紋失效的原因人多是由疲勞所致，疲勞失效又主要是山于鉆鋌交變荷載過大。在鉆鋌中，其與螺紋的連接部位較為脆弱，所以較容易在該部位產生較高的交變應力，發(fā)生嚴重的應力集中，故在該部位極易發(fā)生疲勞斷裂。所以分散螺紋連接處的應力集中，是提高螺紋工作特性，降低鉆鋌失效率的關鍵所在。據(jù)鉆鋌失效的相關統(tǒng)計表明，螺紋斷裂位置主要集中螺紋根部的第1?3扣處，失效斷口處較光滑，可判定為疲勞斷裂。針對螺紋連接處容易失效這一情況，筆者根據(jù)井下鉆鋌的特點，使用ANSYS軟件，針對鉆鋌螺紋連接處，建立起有限元分
3、析模型，対英應力進行計算、分析。計算結果表明，在鉆鋌螺紋的第一個螺紋處，應力最大，鉆鋌螺紋的第1、第2、第3個螺紋處是失效的主要部位，據(jù)此可判定這就是鉆鋌螺紋疲勞失效的關鍵原因。2有限元計算與分析有限元方法是對鉆鋌螺紋進行數(shù)值計算的最有效、最重要的一種方法。該方法的原理是：將一個復雜的對象劃分為若干個簡單的單元，將無限自由度轉化為有限自由度，將連續(xù)場函數(shù)的微分方程轉化為多個參數(shù)的代數(shù)方程組，通過對代數(shù)方程組的計算，來獲得復雜對象的最終計算結果。2.1模型參數(shù)分析本研究采用API（NC50）標準鉆鋌螺紋。鉆鋌的內、外徑
4、分別為72mm.203.2mm,螺紋牙型為V-0.05。鉆鋌材料的屈服強度為758MPa、鋼級T110,泊松比為0.3,彈性模量為216GPa,錐度1：6。為了便于計算，對小導程角的影響忽略不計，按照軸對稱對接頭進行處理，同時僅對鉆柱受到的軸向拉伸載荷作用加以考慮，僅考慮彈性范圍內的結構變形，最終將鉆柱分析轉變?yōu)槎S的彈性接觸問題分析。2.2結果分析使用ANSYS軟件計算后，可得出：公扌II應力主要集中在螺紋臺肩面的第1、第2扣，母扣應力主要集屮在螺紋孔直徑小端的第1、第2扣，公扣臺肩過渡處的應力最大，也是斷裂易發(fā)部
5、位。在相同工作狀況下，B結構（API應力槽結構）的應力值比A結構（API普通結構）更低，在軸向壓力F二1000kN時，應力降幅為12.83%03結構優(yōu)化方案3.1應力分散槽的優(yōu)化通過有限元模型的計算、分析，可得出B結構比A結構的應力更低，B結構優(yōu)于A結構，但若要獲得最優(yōu)的結構，還需對B結構加以改進，進一步降低應力水平。將B結構的優(yōu)化結構標記為C,優(yōu)化目標是將B結構中的應力os達到最小。通過分析應力槽應力。S與應力杷j倒角半徑R1和R2間的曲線關系，得岀Rl=8mm,R2=13mm時，。s的取值最小，螺紋應力分散結構能
6、將應力值降到最低，在相同工況下，螺紋連接處的應力達到最小。所以，螺紋應力分散槽結構的改進，不能一味增大結構過渡圓和來實現(xiàn)，這是因為過渡圓角變化與應力變化不呈線性相關，故應當找出過渡圓角的最優(yōu)值。與A結構相比，C結構的應力降幅為21.6%；與B結構相比，C結構的應力降幅為10.11%。3.2強度分析在鉆鋌螺紋結構中，應力分散效果與應力分散槽的深度、長度呈正相關，即應力分散槽的長度、深度越大，應力分散效果就越好。然而為滿足應力分散區(qū)的強度要求，不能將分散杷I設置得過長、過深，如若不然，就會造成截面的慣性矩太小，若鉆壓過大
7、，鉆鋌就容易發(fā)生彎曲，容易在切槽處發(fā)生斷裂。通過計算，優(yōu)化后的應力分散槽結構（C結構），其截面慣性矩是標準應力分散槽（B結構）的86.7%,慣性矩的降幅不大，圓介過渡處是應力分散槽應力峰值的發(fā)生處，但與螺紋區(qū)應力峰值相比，其應力水平遠低于螺紋連接處的應力水平，這就說明螺紋連接處為鉆鋌的薄弱處。雖然應力分散槽比結構本體的應力峰值大，但其仍相對安全。4雙臺肩螺紋連接5結束語鉆鋌失效的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，螺紋失效導致鉆鋌失效的主要因素，這是由于鉆鋌與螺紋根部的連接處存在較人的應力，在實際操作環(huán)境中，螺紋部位在鉆鋌結構的影響下
8、，其交變應力非常高，從而最終造成螺紋連接處失效。通過ANSYS軟件對螺紋(NC-50)應力情況的計算、分析，發(fā)現(xiàn)螺紋的第1個螺紋處的應力最大，第1到第3個螺紋處是螺紋失效的主要部位，也是造成鉆鋌失效的主要部位。設置應力分散槽是分散螺紋結構應力的有效手段，在優(yōu)化結構的應力分散槽時，需要在過渡圓角的眾多取值中找岀最優(yōu)值，來達到結構所受應力最小的目的
