油套管特殊螺纹接头密封性能的有限元分析
刘〓源1，纪爱敏1，李〓堑1，支〓佩1，樊鑫业2，许才斌2
(1.河海大学机电工程学院，江苏 常州〓213022）
（2.江苏常宝钢管股份有限公司，江苏 常州〓213018)
在油气开采过程中，油套管有着非常重要的用途，不仅作为开采油气的通道，还起着保护井壁、封隔不同压力层等作用。在工作过程中，几百根套管通过螺纹连接串接形成套管柱，其使用性能受到多种工况载荷的影响，诸如套管自重产生的轴向拉力、井下温度载荷等等［1-2］。近年来，随着我国超深井、高压油气井和热采井的开采不断向纵深发展及钻井技术的日益革新，油套管发生失效事故的风险在不断增大，尤以管体泄漏造成的管体失效事故最为严重，因此油气田迫切需要具有更好密封性能的油套管螺纹接头［3-4］。API螺纹接头由于其自身存在的不足已不能适应日益恶劣的使用环境，因此各大油套管接头生产商开始认识到开发特殊螺纹接头的重要性和必要性［5-6］。随着计算机技术的迅速发展，有限元分析方法逐渐成为一种方便有效的分析问题的方法［7-8］。利用ANSYS有限元分析软件对特殊螺纹接头密封性能进行力学性能分析，不仅可以缩短套管设计的周期，节省设计成本，同时也为套管设计提供了科学论据［9-11］。
本文使用ANSYS有限元分析软件，对外径为177.80mm、壁厚为9.19mm的特殊螺纹接头进行有限元建模和性能分析，通过模拟套管接头下井后的实际工作环境，研究和分析温度、内压、不同轴向拉伸的复合载荷对套管接头密封性能的影响。
1〓特殊螺纹接头的密封机理
对于金属-金属密封结构，在密封面光滑的情况下，防止流体泄漏的条件为密封面上的接触压力大于内部流体的压力。根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于泄漏路径的长度和间隙的截面积，它们之间的关系为：
ΔR∝Δl/S （1）
式中：ΔR为流体经过接触面间隙时产生的局部阻力；Δl为流体经过接触面间隙的长度；S为流体经过接触面间隙的截面积。
当接触面间隙截面积较小时，接触面上的接触压力就较大；反之，接触压力就较小，接触压力与间隙的截面积成反比，用式（2）表示：
pt∝1/S （2）
式中：pt为接触面上的接触压力。
由式（1）、（2）可得：流体经过接触面间隙时产生的局部阻力与接触面上的接触压力及流体经过接触面间隙的长度成正比，即:
ΔR∝ptΔl （3）
流体通过接触面的整个微小间隙后，在接触间隙间产生的阻力可以表示为：
ΔR∝∫ptdl （4）
式（4）表明流体在接触间隙间产生的阻力等同于接触面上的接触压力沿泄漏路径的积分，由此可得该密封接触面上的等效接触压力Pec为：
Pec=∫ptdl （5）
作者简介：刘源（1991— ），男，河南商丘人，河海大学硕士研究生，主要研究方向为数字化设计。
（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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