膨胀套管螺纹连接几何、材料与接触非线性工作特性研究

膨胀套管是当前石油工程领域内的重大新技术。适合扩径膨胀的螺纹连接是膨胀套管的关键技术，也是当前制约膨胀套管技术发展的瓶颈，这主要是因为还没有掌握膨胀套管螺纹连接的工作特性，无法设计出技术性能稳定可靠的膨胀套管螺纹连接。本项目就是针对膨胀套管螺纹连接工作特性而开展的专题研究。项目将分析膨胀套管螺纹连接在膨胀变形过程中的应力应变特性，通过网格法研究金属流动规律及套管内外螺纹的变形规律，并通过应力释放法及环切法研究膨胀后螺纹连接部位的残余应力状况，最后辅之以计算机有限元模拟手段研究存在几何、材料及接触非线性情况下的膨胀套管螺纹连接的工作行为特性。项目的目标是建立三维非线性变形、材料性能非线性变化、金属不均匀流动、接触非线性及残余应力等多因素作用下的膨胀套管螺纹连接的结构及密封完整性理论。项目的研究结果将有助于形成膨胀套管螺纹连接的设计理论，从而最终可应用于膨胀套管螺纹连接的开发应用。

构建了一种膨胀套管螺纹接头模型。该模型采用内外壁与管体平齐的直连型接头形式、负角度螺纹、内螺纹根部和外螺纹端部的金属对金属主密封结构以及外扭矩台肩。在一种专用的高强度高延展性低合金钢管上加工了接头实物，并采用刚性锥膨胀方式进行了膨胀试验。.采用网格法对接头在膨胀过程中的变形规律进行了试验分析，对不同螺纹锥度、齿高、承载面角度和导向面角度情况下的螺纹接头变形规律进行了计算机有限元模拟研究。发现在变形幅度为14.9%时，接头在膨胀后长度会减小约2.7%左右，密封部位的缩短小于螺纹部位。螺纹锥度、齿高、导向面角度和承载面角度对接头的长度变形基本没有影响。齿高对螺纹自身的变形影响显著，大齿高相对于小齿高的螺纹在膨胀后外台肩部位的分离相对要小。.采用环切法对膨胀后的接头环向平均残余应力进行了测试，发现对于给定的材料，在接头变形幅度为26.6%和6.2%时，环向残余应力大小约为200MPa，为收缩残余应力。采用切割应力释放法测试了接头螺纹轴向中部位置和密封部位的各3个方向（轴向、环向、轴向45度夹角方向）的残余应力，发现测试位置在3个方向均存在一定的较大残余应力，其中轴向残余应力最大，在接头密封部位，其值达585.26 MPa，在螺纹部位达567.96 MPa，在两个部位环向残余应力都小于另外两个方向，其残余应力水平均为约310MPa左右，轴向45度夹角方向的残余应力大小介于轴向和环向残余应力大小之间。3个方向的残余应力均为收缩残余应力。.依据有限元分析和试验结果，对膨胀过程对接头变形和残余应力分布规律进行了总结分析，并进而分析了这些变化对接头强度和密封能力的影响，对初期构建的接头模型进行了优化设计。以优化得到的新模型为基础，通过计算机有限元模拟研究手段对3种不同螺纹锥度、3种不同齿高、3种不同导向面角度和3种不同承载面角度下的接头在上扣、膨胀和膨胀后同时承受内压等典型工况下的接头连接强度和密封性能进行了研究，得到了各工况下的接头螺纹和密封部位的应力应变特性。认识到了几何三维非线性变形、材料性能非线性变化、金属不均匀流动及残余应力等多因素作用下的螺纹和接头参数对接头结构和密封完整性的影响规律。这些认识对膨胀套管螺纹接头的设计具有参考价值。