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基于ISO 13679的特殊螺纹接头上扣性能仿真分析

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:68      更新时间:2018-05-11

                                                   窦益华,郭稚薇,于〓洋
                                       (西安石油大学机械工程学院,陕西 西安〓710065)
摘要:ISO 13679为目前通用的特殊螺纹接头评价标准,但其实物试验周期长、花销大。为探索有限元方法模拟试验的可行性,依据ISO 13679 IV级试验要求建立三维有限元模型,对标准中上扣试验进行仿真模拟,分析不同几何参数特殊螺纹接头在最大上扣扭矩作用下密封面及台肩处的应力分布状态及其密封性能。研究结果表明:密封面有效接触长度随密封过盈量的增加而减少;外螺纹锥度大、内螺纹锥度小时,密封面环向路径上接触压力最低,密封性能最差;所选特殊螺纹接头在 9次上卸扣后,等效塑性应变随上卸扣次数增加而增大;三维有限元分析方法可有效模拟上扣试验过程,在一定程度上具有代替实物试验的可行性。
关键词:ISO 13679;特殊螺纹接头;上扣;有限元分析
中图分类号:TE931.2〓文献标识码:A〓文章编号:2095-509X(2018)03-0027-04

    ISO 13679《石油天然气工业套管及油管螺纹接头试验程序》为国内外广泛采用的油、套管接头性能评价标准,但其实物全尺寸试验周期长、花销大,对试验设备及条件要求很高。近年来国内外学者及技术人员采用不同方法依据ISO 13679对螺纹接头进行了分析。刘文红等建立了某型特殊螺纹接头的二维有限元模型,依据标准中载荷包络线试验设计载荷边界,模拟分析了接头的密封可靠性,证明了克里金模型可用于特殊螺纹接头的密封可靠性分析。依据特殊螺纹接头的设计数据,张永强等用二维有限元方法模拟极限载荷试验,分析了接头的失效载荷及密封圈处接触压力,依据标准进行B系、C系实物试验,证明所设计结构符合标准要求。辛纪元等采用有限元方法对比研究了不同密封结构特殊螺纹接头在极限载荷作用下的密封效果以及应力分布。XIE等依据标准进行载荷包络线A系试验有限元分析,提出了特殊螺纹接头可靠性评价方法。窦益华等[8]使用三维有限元方法,分析了不同上扣扭矩对特殊螺纹接头扭矩曲线及接触压力分布的影响。张瑞萍等通过建立三维有限元模型分析了温度对复合载荷作用下的特殊螺纹接头应力分布的影响。上述文献在有限元建模过程中大多对模型做轴对称假设,在二维建模时忽略螺纹升角,且未涉及ISO 13679标准〖HJ*5/9〗中的上扣试验。故本文在考虑螺纹升角的前提下,建立三维有限元模型,依据ISO 13679上扣试验流程,分析几何参数对特殊螺纹接头密封面和台肩处的Mises应力与接触压力的分布情况及其对密封性能的影响。

1〓特殊螺纹接头三维有限元建模
    本文以88.9mm×6.45mm P110型某特殊螺纹油管接头为例进行分析,该接头名义设计尺寸中承载面角度为-3°,导向面角度为10°,台肩角度为-15°,螺纹锥度为1∶16,密封面形式为锥面/锥面。材料的弹性模量为206GPa,泊松比为0.3,屈服强度为758MPa。根据ISO 13679 IV级试验要求,带扭矩台肩和金属对金属密封的特殊螺纹接头试样共需8组,根据标准中试样加工原则,合并相似试样,将模型简化为4组[10],设计接头尺寸偏差值见表1。
    应用SolidWorks,依据所选特殊螺纹油管接头名义设计尺寸及表1所示参数,进行三维几何建模。如图1所示,在前处理中,采用C3D8R六面体缩减积分单元进行网格划分,对接触的螺纹段、密封面及台肩进行局部网格细化。在设置边界条件后,提交ABAQUS求解器模拟接头上扣过程。〖HJ〗
.......


基金项目:国家自然科学基金资助项目(51674199);西安石油大学研究生创新与实践能力培养项目(YCS16212059)
作者简介:窦益华(1964—),男,江苏仪征人,西安石油大学教授,博士,主要研究方向为石油机械与石油工程。

(文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289)

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