金刚石绳索取心钻杆接头上扣扭矩的有限元分析_张晓帅.pdf

第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.中国地质科学院探矿工艺研究所， 四川成都611734; 3.湖北长江精工材料技术有限公司，湖北鄂州436000 摘要在分析S71绳索取心钻杆接头结构参数的基础上，建立了其上扣扭矩计算公式．给出了利用 ANSYS对钻杆接头进行上扣扭矩影响分析的实现方法．所得结果与实际情况相符，可用于最佳上 扣扭矩的计算及钻杆接头螺纹参数的优化研究． 关键词绳索取心；上扣扭矩；有限元 中图分类号TE245文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.020 Finite element analysis about the make-up torque of the joint of diamond wireline coring drill pipe ZHANG Xiaoshuai1, LUO Guangqiang1,2, Lill Dilei1, YANG Guowei1, ZHANG Jianbing3 1.Faculψof Engineering, China University of Geosciences，附加，430074,China; 2. Imtitute of Eψ／oration Technology, Chengdu 611734, China; 3. Hubei Changjiang－必nggongMaterials Technology Co., Lt，丛Ezhou436000, China Abstract A ula of the make-up torque of S7 l diamond wireline coring命illpipe joints was established after the analysis of its s位ucturalparameters. The finite element analysis about the make-up torque of the drill pipe joints with ANSYS was put forward. And the results were consistent with the actual situation, so it could be used in parameter optimization and the proper make-up torque calculation of the创llpipe joint thread. Key words wireline coring; make-up torque; finite element 钻杆接头是整个钻杆柱易折断失效的部位。据统 计，绝大部分钻杆折断事故发生在接头螺纹大端第一 扣处［1-3］。国内外学者对钻杆接头螺纹做了大量研究 工作，目前普遍认为接头的上扣扭矩、几何尺寸及材 料性能是影响螺纹连接强度的关键因素。随着有限元 技术的发展，基于轴对称模型的螺纹有限元分析得到 广泛应用，能够非常直观地给出不同结构参数或不同 载荷下螺纹的应力应变响应，这可大大缩短工作周 期，节省费用［4-5］。本文以S71绳索取心钻杆接头为 例，在分析研究其螺纹结构及受力的基础上，提出一 种对接头螺纹的轴对称模型施加上扣扭矩的方法。 1 接头螺纹受力分析 S71绳索取心钻杆接头尺寸参数见表1，为方便 分析，这里取名义尺寸［6-7］。由表1中参数可知，当 内外螺纹主台肩刚好接触预紧力为零时，内外螺纹大 径过盈量为0.025mm，内外螺纹小径处有间隙存在。 为方便分析，对接头螺纹做以下简化和假设 a.忽略次台肩处的受力［町，此处最大间隙可达 收稿日期2012-04-18 0.3 mm。 b.主台肩处预紧力从零开始增加直至驱动扭矩 达到指定上扣扭矩的过程中，内外螺纹大径过盈量不 继续增加。 c.外螺纹牙顶宽比内螺纹牙底宽小0.025mm, 尽管由于泊松效应内外螺纹大径处的过盈会使牙侧 间隙变小，但仍认为内外螺纹导向面不接触，即导向 面不受力，如图1所示。 d.不考虑锥度对螺纹径向受力的影响。 在主台肩处预紧力作用下，外螺纹受力情况如图2 所示。 由于上扣扭矩大小等于台肩、承载面与螺纹大径 处的摩阻力产生的反扭矩，因此有 严斗中才 图1内外螺纹间隙 Fig. l The gap between the external and internal thread l一内螺纹；2一承载面；3一导向面；4一外螺纹 基金项目深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-05201011064. 作者简介张晓帅（1987一），男，山东荷泽人，硕士研究生，从事钻探机具研究． ChaoXing 第5期张晓帅等金刚石绳索取心钻杆接头上扣扭矩的有限元分析 91 褒1S71绳索取心钻杆接头参赛自 Table 1 The parameters of S71 wlrellne drill pipe joints 长度／mm规格Dxd螺纹锥度螺纹总长Imm大端大径Imm大端小径／mm牙侧角乓。）牙顶宽Imm牙高Imm 150 72 nnn x 61 nnn 公螺纹130 母螺纹130 F一一一一......i.,---F F唾一-f一一→ 42 42 | ’F 图2外螺纹受力示意图 Fig. 2 The force diagram of the external thread T_d2阳（v,＋ρ’）＋F阳15。d.,,,..,d ＋一一」1 2 式中码为螺纹中径；v为螺纹升角，tany,8/7rd2；ρ’ 为当量摩擦角，阳ρ’＝／cosβ；β为螺纹轴向截面 牙侧角，β＝15。；d.为主台肩处有效接触面积的当量 直径；F为轴向预紧力；F’为外螺纹大端所受径向力。 由式（I）可知，可将上扣扭矩转化为轴向和径向 预紧力（径向过盈）施加到轴对称模型上。在上扣扭矩 给定的情况下，式（1）中有两个未知数F和F’，因此 需要先给出其中一个未知数的值才能求解。由于在前 面的假设中，认为随着预紧力F的增加螺纹径向过盈 量不变，即F’是个固定值，因此可根据过盈量求出 的F’值进而解出F。 2 螺纹径向力的计算 由于不计锥度的影响，故可认为螺纹大径处的接 触压力完全是由螺纹大径过盈导致的径向力F’引起 的［坷，即 67.527 67.477 65.927 65.977 15 15 3.785 3.8 0.8 0.75 F’ σ＝一（2 s 式中σ为内外螺纹大径处的接触压力；S为内外 螺纹大径处的接触面积。 2.1 接触应力的计算 利用AutoCAD建立接头螺纹轴对称实体模型。 为了排除螺纹牙侧台肩处对径向力的影响，将内螺纹 牙底宽增大，使台肩处有间隙存在（约为0.05mm）。 将实体模型导人有限元分析软件ANSYS中，设 置单元类型为轴对称环体单元plane82，进行网格划 分，定义接触对（定义接触过盈量0.025mm），单元数 量为4 794个，节点数量为9980个。 约束内外螺纹端部的轴向位移。由于在定义接触 时已经定义了螺纹大径处的过盈量故不必再定义载 荷，直接进行求解。螺纹大径处接触压力分布如图3 所示。利用ANSYS的列表显示功能，提取出所有接 触节点的法向接触压力，取平均值作为σ的值。 2.2 上扣扭矩作用下接头螺纹的应力分布情况 根据文献［8］中的参数建立S71绳索取心钻杆母 接头的三维模型，选中内螺纹大径面，测量面积s, 其值为3275.66 mm2。 将σ和S值代人式（2）求出 F’，再将F’代入式（I 求出台肩预紧力F，上扣扭矩即可施加到接头螺纹的 轴对称模型上。 。18.643 37285 55.928 74.57 9.321 27.964 46.607 65.249 83.892 图3接头螺纹接触压力分布（单位MPa Fig. 3 The contact pressure dis位ibutionof joint也read 3 现场试验 对S71绳索取心钻杆接头施加1500 Nm的上扣扭 矩，根据式1）和式（2）计算出台肩预紧力F。模型建立 及边界条件同2.1节，在施加径向过盈载荷的基础上对 外螺纹台肩处施加预紧力F，分析结果见图4一图6。 由图4可以看出，最大等效应力出现在外螺纹主 台肩圆角处，其值为799MPa。啃合螺纹上的应力分布 非常不均匀，自主台肩至外螺纹大端第一牙之间是高应 力分布区，其余部分外螺纹上的应力明显高于内螺纹。 图5所示的4条曲线自左向右分别代表外螺纹大端第 一至第四牙的应力分布情况，可以看出应力值在第一 牙内从450阳a急剧降低至95MPa附近并趋于平 稳，第二牙的变化幅度较小，第三、第四牙的应力值 ChaoXing 92 煤田地质与勘探第41卷 ｜十二喝玩二将 0.507 177.994 89.25 图4钻杆接头等效应力分布（单位MPa Fig. 4 The equivalent stress distribution of joint 450.21 ., 405.189 丢360.168 、 干之315.147 1型270.126 出225.105 于180.084 135.063 90.042 45.021 0 L 、、‘－－－『『，，， 0 5.61 11.22 16.83 22.44 28.051 距大端第一螺纹牙原载面距离Imm 图5各螺纹牙应力分布 Fig. 5 The equivalent stress distribution curve of the thread 428.588 ♂ 385.731 霎342.872 7气300.013 .;,257.154 摞214.295 便171.436 4a 128.577 川85.718 42.859 0 0 0.41 0.82 1.23 1.64 2.149 距离角始端距离／mm 图6主台肩接触压力 Fig. 6 The contact pressure of the main shoulder of joint 基本上为一条直线。 图6为给定上扣扭矩下钻杆接头主台肩处的接 触压力。由图6可知，接触压力值基本维持在200～ 428 MPa，既能保持此处的弹性压缩变形，又不会发 生屈服损坏，能有好的保持密封效果（10］。 4结论 a.给定上扣扭矩作用下螺纹上的应力分布变化 （上接第89页） 4结语 本文的目的是以一种新的钻井液渗滤模式解释实 验中遇到的与原渗滤模式不符的现象，据此推导出一种 新的钻井液静失水量方程。该方程可以更好地体现出造 浆土和处理剂对于钻井液静失水量的重要影响。根据该 方程，实验室测试API失水量时仍然可用7.5min失水 不均匀，螺纹大端应力值较高，其他部分外螺纹上的 应力高于内螺纹。 b.外螺纹各牙应力变化较大，第一牙上的最大 应力是其他螺纹牙的2～5倍。 c.在给定上扣扭矩下钻杆接头主台肩处接触压 力较高，在减压钻进时亦能起到良好的密封效果。 参考文献 川张春波．绳索取心钻杆损坏原因的分析问．探矿工程，1987 2 16-18. 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