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石油管螺纹的型式直接关系到石油管的使用寿命,不同型式的螺纹连接在工作情况下的力学性能、连接性能及密封性能不同,各种螺纹工作时由于连接螺纹应力集中的影响以及交变应力的作用,在使用过程中螺纹失效事故时有发生,因此提高螺纹连接使用寿命的技术长期以来倍受关注。本文从石油管连接螺纹失效原因分析入手,针对国内目前经常使用的API圆螺纹和3SB、FOX和VAM三种特殊的石油管螺纹扣型的工作性能进行了分析研究。
利用大型ANSYS有限元软件包,采用弹塑性有限元分析方法,分别建立了API圆螺纹和三种特殊扣石油管螺纹在机紧连接、单向载荷和循环载荷作用工况下的弹塑性有限元计算模型,对4种扣型油管螺纹接头的油管螺纹部分和螺纹所对应管体内壁处的应力及应变变化规律、螺纹的接触应力等进行了计算分析,根据计算结果对4种螺纹的力学性能、抗粘扣性能和密封性能进行分析和对比研究。
研究表明:API圆螺纹在尾部第一啮合齿产生了高应力、应变集中,导致螺纹常在此部位发生断裂失效,与API圆螺纹相比,3种特殊扣型螺纹接头的应力应变有一定集中且发生在螺纹接头端面,提高了螺纹的力学性能和连接性能。API圆螺纹由于在螺纹两端接触压力很大,因此螺纹粘扣容易在两端发生,而三种特殊扣石油管螺纹,相比API圆螺纹的接触压力要小的多,其抗粘扣能力大大好于API圆螺纹。与API圆螺纹相比,三种特殊扣螺纹由于设计有密封面和端面密封的密封结构而具有很好的密封效果。
不同扣型螺纹的弹塑性有限元分析表明,上扣扭矩对螺纹工作性能产生很大影响,因此应严格控制上扣扭矩,以避免过扭矩和欠扭矩上扣对螺纹工作性能造成影响。