动载作用下特殊螺纹接头能量耗散与上扣扭矩控制研究

作     者：刘渝 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹银萍

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：特殊螺纹接头 动载 能量耗散 密封性能 上扣扭矩 

摘      要：大排量压裂及高产气井作业过程中,因特殊螺纹接头受到不合适的上扣扭矩和井下复杂载荷作用,从而发生密封失效和螺纹连接失效,导致油管密封泄漏,造成安全事故。早期关于特殊螺纹接头密封性能的研究主要基于静载作用下,通过分析接头的等效应力、接触压力及接触长度研究特殊螺纹接头密封性能,而本文主要基于动载作用得到密封面能量耗散,研究接头密封性能。针对动载作用下,特殊螺纹接头密封面发生微动滑移,从而产生能量耗散使接头密封性能降低的现象,采用理论建模和有限元仿真模拟相结合的方法,并根据Hertz接触理论、厚壁圆筒理论、弹性杆振动微分方程和Coulomb定律,对动载作用下特殊螺纹接头密封性能开展了系统研究。为动载作用下特殊螺纹接头能量耗散与上扣扭矩控制研究提供了理论的依据。研究的具体内容和取得的成果如下。(1)基于Hertz接触理论和厚壁圆筒理论建立了锥面-锥面特殊螺纹接头密封面处径向过盈接触模型,分析了上扣扭矩的组成。通过有限元软件建立特殊螺纹接头二维轴对称模型,对螺纹牙、密封面和扭矩进行了力学分析。计算二维数值解和解析解的平均接触压力分别为371.5MPa和387.3MPa,误差相差4.1%,验证了锥面-锥面特殊螺纹接头密封面处接触模型建立的合理性。(2)基于弹性杆振动微分方程建立了剪切层理论模型和改进型剪切层理论模型,分析了黏着刚度、摩擦系数和弹簧刚度对接触面的能量耗散影响,根据线性回归方程计算出黏着刚度、摩擦系数和弹簧刚度对能量耗散敏感系数分别为-0.01、0.42和0.051。(3)比较特殊螺纹接头二维轴对称有限元模型与剪切层模型、改进型剪切层的迟滞曲线和能量耗散,验证剪切层模型和改进型剪切层模型建立合理。基于有限元模型,分析不同上扣扭矩、轴向循环载荷、内压载荷和摩擦系数对特殊螺纹接头密封面能量耗散的影响。根据密封强度理论,当密封指数大于临界密封指数时,即有限元计算的平均压力大于密封判据解析解的平均压力,判定特殊螺纹接头的密封性能。(4)基于接触分析建立了特殊螺纹接头三维有限元模型,并得到前四阶的模态振型。将前四阶模态振型得到的位移幅值加载在特殊螺纹接头三维有限元模型中,提取密封面处的接触压力、接触面积和相对滑移距离,计算出特殊螺纹接头密封面不同模态振型的能量耗散与模态阻尼比。