特殊螺纹石油套管连接性能力学分析及计算

特殊螺纹石油套管连接性能力学分析及计算

秦双双

中海油能源发展装备技有限公司加工制造分公司天津300452

摘要：随着石油工业的高速发展，特殊螺纹石油套管逐步替代传统API标准的石油套管已是必然趋势，各类新型的特殊螺纹油套管产品不断出现，以满足石油钻采设备的需要。在特殊螺纹套管新产品的研发过程中，对其连接性能进行相关的理论计算，是必不可少的研究手段。基于此，本文主要对特殊螺纹石油套管连接性能力学进行分析计算。

关键词：特殊螺纹；石油套管；连接性能；力学分析；计算

前言

目前，特殊螺纹石油套管连接的相关性能理论计算没有统一的计算标准，其性能参数主要依靠实验的方法得出。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。

1、研究对象及其尺寸参数

本文针对正在研发的20in-ZSB螺纹套管结构（如图1所示），应用弹性力学、结构力学等经典力学知识，在分析、比较各种计算方法的基础上，对其进行合理的简化处理，建立出相关计算的力学模型，对其螺纹连接的自锁性、拧紧力扭矩、拧紧所需的圈数、抗拉强度、抗弯强度、抗内压强度等性能进行理论计算。

式中μs为螺纹面的滑动摩擦系数，β为螺纹的螺旋升角。设螺纹面的摩擦角为ρ，则由：

μs=tanρ，

可将式（1）简化为：

T=Ftan（β+ρ）（2）

设dp为螺纹中径，故施加在套管（接箍）上的外力扭矩W为：

式（7）、（8）中，

Ppc为螺纹套管的径向接触应力，

σθp、σθc分别为管体和接箍的环向接触应力，

rpi为管体内径，

pi为套管的内压，

rb为螺纹牙节圆，

r∞为接箍的外径。

3、计算内容及其结果

3.1螺纹套管自锁性分析

锥螺纹沿着母线剪开后，按照圆周方向展开，如图3所示。

其中，

β为螺纹升角，

n为螺纹线数，

P为螺距，

D中为锥螺纹的中经，是一个范围值，486mm≤D中≤503mm，

故0.021445≤tanβ≤0.022195

即ZSB螺纹套管的螺旋升角β的大小范围为：

1.229°≤β≤1.271°。

ZSB螺纹套管螺旋副中的摩擦系数为0.1（有润滑摩擦），设其摩擦角为α，则：

tanα=0.1，α=5.7°，

即：α>β。

根据螺纹连接的自锁条件，只要螺旋副中的摩擦角大于螺纹的升角，就能够自锁，故ZSB螺纹套管能够满足自锁性的要求。

3.2螺纹套管上扣最大拧紧力矩

在上扣过程中，由于螺纹牙接触表面有摩擦力的产生，故拧紧力扭矩就是用来克服过盈装配时，牙接触面发生塑性变形所产生的摩擦力扭矩。假设每颗牙均匀受载，故拧紧力扭矩的大小为：

Wf=nμN·R中（10）

其中，

n为受载的牙数，

μ为滑动摩擦系数取0.1（与润滑有关），

R中为中径半径，

N为装配时每颗牙的正压力，其大小为：

代入数据计算得

4、结束语

本文应用弹性力学、结构力学等经典力学知识，对20in-ZSB螺纹套管的相关连接性能，进行了相关的理论计算，建立起力学模型，计算结果表明：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、抗内压强度等相关性能完全能够满足复杂油井特殊石油套管的需要。计算过程中，不可避免的对套管模型做了一定的假设和简化处理，求解结果与实际情况会有一些偏差。本计算的数学模型正确、简单，力学概念清晰，其理论与方法对特殊螺纹套管连接性能的理论计算具有较高的参考价值。对于特殊螺纹套管连接性能的理论计算，目前还没有统一、完整、精确的计算公式可以使用，由于现行的计算方法多样，不同计算方法计算结果与实际情况的偏差差别较大，因此，有必要认真研究特殊螺纹套管连接性能合理的计算方法与计算公式，再通过由实验获得的修正系数对理论计算结果进行修正，以提高其计算的准确性。

参考文献：

[1]APISPECSTD5B．套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范[S]．美国：美国石油学会，2005

[2]朴龙华，张毅．我国特殊螺纹接头油套管生产使用现状及需要注意的几个问题[J]．钢管，2006，35(4)：45—48．