API套管圓螺紋接頭粘扣失效分析

1、第35卷第5期2000年5月鋼鐵IRONANDSTEELVol.35,No.5May2000API套管圓螺紋接頭粘扣失效分析王張汝忻劉玉文鄒家祥臧勇(上海寶鋼集團(tuán)公司)(北京科技大學(xué))3鄒文正盧小慶(),。套管一旦發(fā)生粘扣,直。通過對(duì)套管接頭的上卸扣實(shí)驗(yàn)和接頭螺紋接觸壓力有限元數(shù)值計(jì)算,并利用摩擦磨損機(jī)理,描述了粘扣的產(chǎn)生過程。關(guān)鍵詞API圓螺紋套管接頭粘扣失效分析GLUINGFAILUREANALYSISOFAPIROUNDTHREADCASINGCONNECTIONWANGLiZHANGRuxinLIUYuwenZOUJiaxiangZANGYong(ShanghaiBaosteelGro

2、upCorp.)(UniversityofScienceandTechnologyBeijing)ZOUWenzhengLUXiaoqing(TianjinPipeCorp.)ABSTRACTGluingisoneofthefailureformsforcasingconnection,anditisoccurredinthethreadduringcasingmakeup.Thegluingdeterioratessealperformanceandconnectionstrengthofcasingdirectly.Thispaperdealswiththereasonsofgluingg

3、enerationbytestingmakeup2breakoutofcasingconnectionandcalculatingthecontactpressureinthreadconnectionwithFEM,moreoverthegluinggenerationisdescribedwithfriction2weartheoty.KEYWORDSAPIroundthread,casingconnection,gluing,failureanalysis1前言隨著新建套管生產(chǎn)廠的投產(chǎn)和原有套管生產(chǎn)廠的技術(shù)改造與擴(kuò)建,套管國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程取得了很大發(fā)展。近年來,各油田開始大量使用國(guó)產(chǎn)套管,但在

4、使用過程中,粘扣失效問題時(shí)有發(fā)生。如果套管螺紋接頭在上緊過程中就發(fā)生了粘扣,將影響到套管柱的密封完整性和結(jié)構(gòu)完整性。套管在石油天然氣鉆采整個(gè)服役過程中,要求是一次下井,長(zhǎng)期使用,而且服役工況十分惡劣。并且由于石油天然氣開采的特殊性,一旦出現(xiàn)問題,將給油田用戶帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失,所以對(duì)套管粘扣失效研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2全尺寸實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究211實(shí)驗(yàn)樣本選取6根套管(帶接箍)作為實(shí)驗(yàn)樣品。其中,3根為國(guó)產(chǎn)套管,3根為進(jìn)口套管,樣號(hào)分別為:GC1、GC2、GC3、JK1、JK2、JK3,前3個(gè)為國(guó)產(chǎn)套管,所有套管規(guī)格都為<13917mm,除JK2鋼級(jí)為N280外,其余樣品鋼級(jí)都為J255。實(shí)驗(yàn)

5、分為兩種形式:對(duì)于套管GC1、GC2、JK1、JK2分別與自己的接箍進(jìn)行上卸扣粘扣實(shí)驗(yàn);3國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目聯(lián)系人:王,博士后,上海(201900)上海寶鋼集團(tuán)公司鋼管分公司第5期王等:API套管圓螺紋接頭粘扣失效分析45對(duì)于套管GC3、JK3,是用GC3和JK3的接箍與管體分別互換進(jìn)行上卸扣粘扣實(shí)驗(yàn)。212實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備是從美國(guó)H1O1MOHR工程設(shè)計(jì)研究公司引進(jìn)的套管上卸扣實(shí)驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)采集監(jiān)控系統(tǒng)、液壓大鉗、大鉗配重、固定鏈和底座組成。上卸扣時(shí),大鉗的扭矩通過力傳感器測(cè)得,轉(zhuǎn)速通過速度傳感器測(cè)得。計(jì)算機(jī)采集監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)輸出扭矩和時(shí)間、扭矩和圈數(shù)以及上卸扣轉(zhuǎn)速和時(shí)間、轉(zhuǎn)

6、速和圈數(shù)的函數(shù)曲線。大鉗的最大扭矩是3319kNm,精度為±1%。牌號(hào)(進(jìn)口)為Bestolife2131中,從表1可知,樣品JK1、JK2抗粘扣性能高于樣品GC1、GC2,樣品GC1、GC2在上扣兩次就已發(fā)生嚴(yán)重粘扣。就粘結(jié)位置來看,樣品GC1、GC2都發(fā)生在管體螺紋端部起第21、22扣左右和接箍端部的第1扣附近;而對(duì)于樣品JK1、JK2,粘扣發(fā)生在管體螺紋端部起第26扣左右,此部位已是管體螺紋的退刀部位,接箍粘扣也是在端部的第1扣附近。從樣品GC3和JK3的接,只上扣一1扣附;樣品()和JK3(接)4。由以上的實(shí)驗(yàn)國(guó)產(chǎn)套管的粘扣主要發(fā)生在接箍螺紋端部第1扣附近。3有限元數(shù)值計(jì)算表

7、1粘扣實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果Table1Testprocessandresultofgluing卸扣扭矩 螺紋脂樣號(hào)步驟手緊位置 機(jī)緊位置 上扣扭矩用量 mmmmNmNmgGC112GC212JK11234JK212345GC3(接箍)1JK3(管體)GC3(管體)1JK3(接箍)2341091010110109151041010910104151031091101081510610101159815981010810921589109415911096109410921882139415921588108810851595106523179567194031148278146855197079176

8、99412109381940311454091174401486361410323129482157203118908193750178070196477167734161030115120125150135150145155135150130130110110140卸扣螺紋檢查公端:端部起第2224扣擦傷;母端:端部起第2125扣全周發(fā)亮公端:端部起第2124扣嚴(yán)重粘扣;母端:端部起第1、2扣粘結(jié)公端:正常;母端:端部起第1、21、22扣全周發(fā)亮公端:端部起第2022扣嚴(yán)重粘結(jié),第1419、2326扣也不同程度粘結(jié);母端:端部起第1扣粘結(jié)公端:起始扣有毛刺且有擦傷;母端:端部起第2、22扣全

9、周發(fā)亮公端:正常;母端:端部起第2224扣嚙合面輕度擦傷公端:端部起第25、26扣粘結(jié);母端:端部起第1扣粘結(jié)未卸扣公端:正常;母端:正常公端:正常;母端:正常公端:正常;母端:正常公端:正常;母端:正常公端:端部起第1扣翻邊;母端:端部起第2、3扣嚙合面磷化層脫落公端:端部起第2022扣嚴(yán)重粘結(jié);母端:端部起第1、2扣粘結(jié)公端:正常;母端:端部起第1扣嚙合面輕度擦傷,第21、22扣全周發(fā)亮公端:正常;母端:端部起第124扣全周發(fā)亮,其中第21、22扣嚙合面擦傷公端:端部起第25扣輕度粘結(jié);母端:端部起第126扣全周發(fā)亮公端:端部起第2226扣粘結(jié);母端:端部第1扣粘結(jié)375017735316

10、9295149341151260217100341410916104151001194159716911687118210411618429311735316105671353341544701786359572135125130135311模型建立有限元模型結(jié)構(gòu)如圖1所示,由于螺紋升角很小,故忽略升角的影響,作為軸對(duì)稱問題來處理。做好的模型共劃分單元3130個(gè),其中,二維固體軸對(duì)稱單元2919個(gè),二維接觸單元211個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3362個(gè)。46鋼鐵第35卷圖1有限元計(jì)算模型Fig11CalculationmodelofFEM312材料性能實(shí)驗(yàn)材料拉伸實(shí)驗(yàn)是為有限元模擬提供應(yīng)力應(yīng)變曲線。在MT

11、S材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上做拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2,2。圖3螺紋牙承載側(cè)平均接觸壓力Fig13Averagecontactpressureofloadflankforthreadteeth圖2材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(平均值)Fig12Stress2straincurveofmaterialtension(averagevalue)表2管體力學(xué)性能Table2Mechanicalpropertyoftube編號(hào)123s MPa439442432b MPa708704701% 241225122516圖4螺紋牙入口側(cè)平均接觸壓力Fig14Averagecontactpressureofstabflankforthr

12、eadteeth4螺紋幾何參數(shù)分析313有限元計(jì)算結(jié)果討論從圖3和圖4中可以看出,在接箍螺紋端部,承載側(cè)壓力很大,比管體螺紋端部壓力大的多;對(duì)于入口側(cè)壓力,接箍螺紋端部和管體螺紋端部都很大,基本上在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。接箍壓力較小的嚙合齒是,入口側(cè)的第17、18、19齒和承載側(cè)的第3、4、17、18齒,最小值在入口側(cè)的第18齒,平均接觸壓力為28195從沿軸向平均接觸壓力的大小分布,就可以解MPa。釋為什么粘扣在接頭螺紋端部發(fā)生,而且主要發(fā)生在接箍螺紋端部。從實(shí)驗(yàn)室的粘扣實(shí)驗(yàn)以及油田現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生粘扣的情況來看,也證明了這一點(diǎn)。一般是接箍螺紋端部發(fā)生粘扣時(shí),與管體螺紋端部相配合的接箍部位,沿圓周方向發(fā)亮,

13、該部位的磷化層已失效,說明管體螺紋端部接觸壓力也達(dá)到了一定水平,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。套管接頭是通過螺紋連接起來的,接箍和管體螺紋幾何參數(shù)的變化規(guī)律和數(shù)值大小對(duì)套管接頭的粘扣性能是有影響的。通過對(duì)一組(包括實(shí)驗(yàn)樣品)套管接頭螺紋參數(shù)的測(cè)量,分析比較了國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口套管接頭螺紋齒高、螺距、錐度和緊密距的分布。從表3中可以看到,測(cè)量的齒高和螺距公差比API規(guī)定的公差值小很多。說明齒高和螺距的影響不大。逐齒測(cè)得的螺紋錐度的變化見圖5和圖6。從圖5、6中可知國(guó)產(chǎn)套管螺紋錐度偏離API標(biāo)準(zhǔn)錐度的數(shù)值比進(jìn)口套管螺紋錐度大,而且沿軸線方向變化幅度較大。同時(shí),還測(cè)量了緊密距參數(shù),從測(cè)量的情況來看,國(guó)產(chǎn)套管螺紋

14、接頭緊密距是接箍和管體普遍為正值,進(jìn)口套管螺紋接頭一般為一正一負(fù)。第5期王等:API套管圓螺紋接頭粘扣失效分析47從使用來看,一正一負(fù)的緊密距配合更合理且容易控制。表3螺紋參數(shù)公差Table3Tolerancesofthreadparameter品名國(guó)產(chǎn)管體接箍進(jìn)口管體接箍齒高公差 mm-+-+0101700103800101500103050100150100760101105粘扣機(jī)理分析螺距公差 mm+-+-+-010084010254010064010279010147010380010053由摩擦磨損理論可知,套管的粘扣屬于粘著磨損,影響粘著磨損的因素包括:壓力、溫度、潤(rùn)滑和材料特性等

15、。其中,壓力影響最大,從套管實(shí)際粘扣的部位與計(jì)算的結(jié)果也說明了這一點(diǎn)。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn),一旦接頭螺紋發(fā)生粘扣,接箍外表面的溫度很高,說明在上扣時(shí),螺紋部位因摩擦產(chǎn)生了高溫。,但所增大,(圖7):參數(shù)誤差和上扣工藝控制不當(dāng)螺紋嚙合面接觸壓力和摩擦增大螺紋接觸表面溫度升高螺紋接觸面金屬融合發(fā)生粘扣螺紋嚙合面肌體接觸螺紋脂、磷化層潤(rùn)滑失效圖5套管接頭螺紋錐度變化(國(guó)產(chǎn))Fig15Threadtapervarietyofcasingconnection(madeinChina)圖7粘扣產(chǎn)生過程Fig17Generatingprocessofgluing6結(jié)論(1)API圓螺紋套管接頭的粘扣主要是由于上扣時(shí)接觸壓力分布不勻造成的。國(guó)產(chǎn)API圓螺紋套管因接頭公母螺紋個(gè)別幾何參數(shù)誤差沿軸向變化較大以及接箍端部引扣的影響,加重了粘扣的產(chǎn)生。(2)從粘扣產(chǎn)生的機(jī)理可以得出,在提高螺紋加工精度、規(guī)范油田螺紋上扣操作和優(yōu)化螺紋配合公差的同時(shí),提高螺紋脂、磷化層、接頭螺紋肌體材質(zhì)的性能,是增強(qiáng)套管抗粘扣的綜合方法。圖6套管接頭螺紋錐度變化(進(jìn)口)Fig16Threadtapervarietyofcasingconnection(import)參考文獻(xiàn)1AsbillWT,PattilloPD,RogersWM.InvestigationofAPI8Round