双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究-应用力学学报.PDF

第29 卷 第 6 期 应 用 力 学 学 报 Vol.29 No.6 2012 年 12 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Dec. 2012 文章编号：1000- 4939(2012) 06-0730-05 双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究 1 1 1 1 2 陈锋 狄勤丰 王文昌 王明杰 袁鹏斌 (上海大学上海市应用数学和力学研究所、上海市力学在能源工程中的应用重点实验室 200072 上海)1 (上海海隆石油管材研究所 200949 上海)2 摘要：针对丝扣粘扣中接触压力过大引发的塑性变形的问题，基于双台肩钻杆接头的三维有限元 分析，分析了上扣扭矩、轴向拉力、旋转扭矩作用下的钻杆接头接触压力分布规律和 Mises 应力 分布规律。研究结果表明：当轴向拉力达到 2500kN 时，主台肩上的接触压力降为零，这将使得 载荷主要由螺纹牙来承担，增加丝扣粘扣的风险。当旋转扭矩超过24000N ⋅m 时，一方面提高了 副台肩上的接触压力，增加了副台肩失效的风险；另一方面大幅提高了螺纹牙的承载比例，增加 了丝扣粘扣的风险。适当增大副台肩间隙和副台肩处的接触面积可以降低大位移井中副台肩失效 的风险。适当增大主台肩、副台肩的接触面积可以降低超深直井中丝扣粘扣的风险。本文计算的 三种工况条件下，最大 Mises 应力同样均位于公扣大端第一个螺纹牙处，说明该处是最易发生粘 扣的部位，在螺纹结构的优化设计中应予以重点考虑。 关键词：粘扣；三维有限元分析；接触压力；塑性变形；轴向拉力 中图分类号：TE821 文献标识码： A 度而引起局部塑性变形，最终导致粘扣的发生[2-4] 。 1 引 言 钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力等外载荷作用下， 螺纹牙啮合面受到接触压力和摩擦力的综合作用。 钻杆接头丝扣粘扣是一个较普遍的问题。根据 由于啮合面并不是理想平滑的，存在一定的表面粗 ISO13679[1]标准的必威体育精装版定义, 粘扣是指一种发生在 糙度和形状误差，在相互作用时必然从点接触开始， 相互接触金属表面间的冷焊(cold welding)现象。粘 造成局部接触点上压力过高，从而在接触点产生塑 扣的发生将在很大程度上影响钻杆接头的使用性 性变形直到实际接触面积增加到足够支持其载荷为 能，轻则损坏螺纹表面、影响产品的反复上卸扣能 止。在塑性变形过程中，如果没有镀层存在或者镀 力, 重则降低钻杆接头的连接强度和密封性能。因 层在切向运动时发生了破裂，接触点两侧就会发生 此, 如何提高钻杆接头抗粘扣能力一直以来都是研 局部再结晶、扩散或熔化等现象，从而产生冷焊现 究的热点。 象。可见，螺纹啮合面上接触压力过大是造成丝扣 粘扣的形成机理复杂, 从力学的角度看，螺纹 粘扣的根本原因。 啮合面间局部接触应力过大，超出了材料的屈服强 综上可知，对外载荷作用下钻杆接头的接触压 基金项目：国家自然科学基金50674065 ）；上海市重点学科建设项目（S30106）；上海市教委科研创新项目（11CXY32）；上海领军人才 基金；上海市优秀学术带头人项目（12XD1402500）；上海石油管工程技术研究中心建设项目（10d 来稿日期：2012-02-29 修回日期：2012-06-21 第一作者简介：陈锋，男，1986 年生，上海大学，博