拉伸载荷作用下套管接头的特性分析

　　因套管螺纹滑脱(或断裂)、密封失效及管体挤毁等失效引起的油井报废事故时有发生，造成了巨大的经济损失.为预防事故的发生，对典型负荷(拉伸、内外压、弯曲)作用下的套管进行分析，以了解其基础力学持性是十分必要的.本文采用有限单元法分析了8牙圆螺纹套管在拉伸负荷作用下的应力分布，变形及载荷传递规律等.

　　1计算模型的建立

　　工作选N809(5/8)"8牙圆螺纹套管接头为研究对象，对其在轴向力、内压、外压作用下的力学特性进行研究分析.该套管接的主要参数为:外径D0=244.5mm螺距p=3.175mm;卫刀;壁厚t=10.03mm;接箍外径,D1=266.9mm;弹性模量E=2l0000MPa;泊松比μ=0.3.

　　研究表明，管接头在粘滞和具有不同摩擦系数的滑动条件下，载荷沿接头螺纹齿分布规律变化不大^[l，2]因此本工作在计算中将螺纹承载侧面处理成粘滞状态，即假定不存在相对滑动，而内外螺纹在非承载侧齿面保持脱开，即暂未考虑预紧力的影响.另外，套管的螺纹升角一般都很小，其对应力和变形造成的影响很小，可以忽略，从而将模型处理成轴对称问题以节省机时.图1为分析模型网格图，其节点总数2005，单元总数NE=1756.

　　2 计算结果及分析

　　2.1 接头的变形

　　管体横断面上施加100MPa，计算可得套管接头的应力和变形.图2为套管接头的变形图，图中各点的位移进行了放大.从图中可以看出，套管在受到轴向力之后，接箍的中部和管体部分，受到的应力基本上为单纯拉应力，其轴向伸长，而横向由于泊松效应而缩小.在管子螺纹的细部(端部)和接箍螺纹的粗部(外端部)，由于受到螺纹牙承载侧的压力作用，且这个压力对管子和接箍的中径是不对称的，从而造成管端缩小，而接箍端扩大，且其程度随受力值的增大而增大.正是此种变形造成了将来套管接头的拉伸滑脱.

　　2.2接头的应力

　　有限元计算得到接头应力分布情况.分析结果表明，管体本体和接箍本体的应力分布基本上是均匀的.但在螺纹啮合部位，应力变化复杂:

　　(l)沿轴向各齿的各个应力水平以二头齿为最大，中间齿的较低，呈马鞍形(见图3)，而且，公母螺纹根部的应力分布是有差别的，公螺纹上粗端应力较大，细端应力水平较低，母螺纹上则相反.这是因为公、母螺纹(即管子和接箍)对应断面的面积不同，刚度不一致，变形不协调等因素造成.全局的最大应力出现在公螺纹粗端第一个接触螺纹的根部.

　　(2)在每个齿上，虽然应力水平不同，但分布规律大致相同:在承载侧，有接触压力作用，此负荷造成各齿(相当于悬臂梁)承载侧沿切向有拉力产生，而在另一侧则为压应力;在齿的根部，存在着较大的应力集中，形成各齿的最大应力区;另外在齿顶部接触区开始处应力水平也相对较高，这是接触压力分布不均和应力集中综合所致.