基于ANSYS的FOX接头有限元力学分析

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【摘 要】油管失效己成为各油田遇到的主要问题之一，其中以油管接头问题为主。本文采用ansys软件，对目前常用的fox油管接头进行了复合载荷下的有限元力学分析[1]，摸索出复合载荷作用下密封面、扭矩台肩及连接螺纹的接触压力与应力分布规律，为生产厂家设计优化油管螺纹提供提供了理论依据。

【关键词】FOX接头、连接螺纹、力学分析、ANSYS

1. 引言

随着油管工作条件的日益恶劣，油管失效己成为各油田遇到的主要问题之一，其中以油管接头问题为主。油管一方面要承受管柱自重，另一方面还要承受管内流体压力作用，因此密封性能就成为油管螺纹接头的重要性能指标之一。本文以FOX接头为研究对象，首先用ANSYS Workbench的Geometry模块的参数化功能[2]，精确建立了三维模型，然后用ANSYS软件的动力学分析模块[3]分析了复合载荷下的接头的应力问题，为厂家的接头设计提供了一种方法。

2.建模

FOX接头多应用于井况恶劣、受载工况复杂的高温、高压、深井中，其主要受拉力、压力及上扣扭矩的作用。88.9mm×6.45mm P110 FOX油管接头采用主密封公扣外圆弧面与公扣前端的圆弧面扭矩双重金属密封形式，密封面锥度为1：2，扭矩台肩为负15 °，采用连接强度较高的偏梯形螺纹，螺纹锥度为1：16，承载面为3°角，导向面为10°角。取油管材料弹性模量为2.1× MPa、泊松比为0.3、屈服强度为758MPa。

3.复合载荷作用下FOX接头有限元应力分析

3.1 80MPa内压+不同轴向拉力的接触压力

图2 80MPa内压+不同轴向拉力作用下密封面最大接触压力

3.2 80MPa内压+轴向压力作用下的最大接触压力

图3 密封面最大接触压力

图4 扭矩台肩最大接触压力

3.3 油管接头等效应力分布

图5 轴向拉力作用下油管接头等效应力分布图

图6 轴向压力作用下油管接头等效应力分布图

从图2、图5可以看出，在80MPa内压作用下密封面最大接触压力随着拉力的增加而增加；随着轴向拉力的增大，最大等效应力点由密封面逐渐向大端螺纹处转移。图3、图4、图6可以看出：（1）与单一轴向压力工况相比，在内压与轴向压力同时作用下，主密封面最大接触压力增加，扭矩台肩最大接触压力随轴向压力的增大而先减小后增加；（2）当轴向压力小于100kN时，最大等效应力集中在密封面或扭矩台肩处，当轴向压力大于100kN时，最大等效应力出现在管体螺纹处。因此，说明在内压与轴向压力共同作用下，一定范围内的轴向压力对该特殊螺纹接头密封面应力值及密封性能影响不大。

4.结论

本文以FOX接头 88.9mm×6.45mm P110特殊螺纹油管接头为例，通过有限元应力分析，得到了内压、轴向力及复合载荷作用下密封面、扭矩台肩及连接螺纹的接触压力与应力分布规律，分析表明：

（1）当油管螺纹承受不同轴向载荷时，整个螺纹接头会随着载荷的增大，受力分布变的越均匀，但是不能超过油管材料最大抗压强度。

（2）初始上扣时因密封面的过盈配合及螺纹锥度的影响，密封面及靠近密封面前几扣的应力较大。

（3）随拉力的增加，前端螺纹承载面轴向载荷增大，应力增加，当应力超过材料屈服强度时，螺纹发生塑性变形，应力逐渐向后面的螺纹传递。

参考文献：

[1]（美）库克（Cook，R.D.）等著；官正西，强洪夫译.有限元分析的概念与应用.西安交通大学出版社，2007.9.

[2] ANSYS Release 11.0 Documentation and ANSYS Workbench Help.

[3] 张朝辉主编.ANSYS8.0结构分析及实例解析.北京机械工业出版社，2005.3.