顶驱主轴接头螺纹上扣过程的力学性能研究.docx

? ? 顶驱主轴接头螺纹上扣过程的力学性能研究* ? ? 欧阳蒙 周传喜 黄崇君 赵鹏飞 管 锋 刘先明 (1.长江大学机械工程学院 2.中石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 3.中国石油测井公司长庆分公司) 0 引 言 顶部驱动钻井装置自1981年研制至今，备受各国石油领域的重视，被迅速应用到钻井行业，替代传统转盘带动方钻杆和钻具钻井的形式，成为钻井技术的一次重大突破[1-2]。然而，近几年发生了多起顶驱主轴出现裂纹的事故，裂纹多位于顶驱主轴接头螺纹大端第一齿的齿根和顶驱主轴接头螺纹台肩过渡圆角应力集中处。顶驱主轴产生裂纹会造成主轴断裂，钻杆、钻具等落井事故，威胁人员和设备安全[3]。 目前对顶驱的研究主要为顶驱装置的整体研究，对顶驱主轴接头螺纹的研究较少，但对钻杆、钻铤和油套管螺纹性能分析较多[4-5]。汤云霞等[6]对钻铤螺纹进行有限元分析，计算在不同钻压下模型应力分布情况，对应力退散槽2个圆角进行优化，给出2个圆角的最优值。狄勤丰等[7]对钻具接头螺纹的台肩作用机理进行了研究，研究结果表明，双台肩钻具接头的抗扭能力最强。S.BARAGETTI[8]通过建立锥形螺纹轴对称模型，研究不同锥度下螺纹的承载能力，给出一个能使应力、载荷分布状态和螺纹侧翼压力分布情况最佳的应力值，并认为锥度值的减小使载荷分布更加均匀。祝效华等[9]研究弯矩对套管螺纹连接强度和密封性能的影响，研究结果认为，在弯曲井眼下API短圆螺纹套管应尽量选取大锥度、小螺距、小螺纹长度和大牙高的短圆螺纹套管。 目前对螺纹的研究大多是分析不同工况下螺纹的力学性能，缺乏对顶驱螺纹结构参数规律性分析的研究。鉴于此，笔者建立了顶驱接头螺纹三维轴对称模型，通过模拟顶驱主轴接头螺纹上扣，研究了顶驱主轴接头螺纹应力释放槽长度、圆角和内扣第一齿倒角对其应力分布规律的影响。 1 顶驱接头螺纹有限元模型建立 1.1 顶驱接头螺纹模型建立 顶驱主轴裂纹主要出现在外螺纹处，本文以螺纹为对象研究。目前针对螺纹仿真分析主要采用二维轴对称模型、三维轴对称模型以及三维螺旋模型。采用二维轴对称模型时，虽然考虑到了螺纹的细节，节省计算时间，但不能够应用于偏置偏载场合[10-11]；采用三维螺旋模型时，考虑螺旋升角，计算结果精确[12]，但模型复杂、网格划分困难、计算量很大；采用三维轴对称模型时，忽略螺纹升角，模型及网格划分相对简单，计算成本低，且当螺纹升角小于4°时，螺旋效应对螺纹应力的影响较小可忽略[13]。为减少计算量不考虑螺纹升角，结合API标准根据某型号顶驱建立顶驱主轴接头螺纹模型。该顶驱主轴接头螺纹结构简图如图1所示。顶驱主轴接头螺纹扣牙形状尺寸如图2所示。 图1 顶驱接头主轴螺纹结构简图Fig.1 Schematic structure of main shaft joint thread of top drive 图2 顶驱主轴接头螺纹扣牙形状尺寸Fig.2 Shape and size of main shaft joint thread of top drive 外螺纹(锥部)长度LPC为127.01 mm，内扣有效螺纹长度LBT为130.18 mm，内扣锥部长度LBC为142.88 mm，内扣扩锥孔深度LQC为15.875 mm，外扣小端直径DS为131.01 mm，外扣应力释放槽直径DC为137.59 mm，内扣连接的扩锥孔直径QC为154.00 mm，外扣、内扣外径D为203.02 mm，外扣应力释放槽长度L为19 mm，内扣第一齿倒角α为38°，台肩过渡圆角半径R为6.5 mm。螺纹牙型是V-050，螺距P为6.35 mm，锥度为1∶6，原始三角形高度H为5.487 mm，牙型高度h为3.755 mm，牙顶削平高度fc为1.097 mm，牙底圆弧半径r为0.635 mm，圆角半径rc为0.381 mm，半锥角φ为4.764°[14]。 利用Hypermesh软件对外扣和内扣模型进行网格分块划分，以六面体网格为主，存在少量四面体网格。为保证计算精度，对外扣牙、内扣牙、台肩面以及应力释放槽进行网格细化(见图3)。顶驱主轴材料为42CrMo，屈服强度为930 MPa，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，接触面的摩擦因数一般在0.015～0.150之间。本文计算时取摩擦因数为0.100，法向接触刚度因子为1。 图3 网格模型图Fig.3 Grid model 在利用三维轴对称模型模拟螺纹上扣时，不能直接在模型上施加上扣扭矩，而是需要在外扣与内扣的台肩之间、扣牙之间设置过盈量来模拟上扣状态。台肩之间的过盈量等于在机紧一定圈数的情况下，外扣相对于内扣轴向移动的距离。在带有锥度的螺纹连接中，外扣相对于内扣径向移动的距离即为扣牙的径向过盈量。机紧上扣时螺纹的接触形