压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，本发明通过现有有限元软件进行建模，定义各部件材料属性和边界条件，进行计算得到在不同螺纹过盈量下内外螺纹之间及接触端面的受力云图，并通过理论推导出螺纹过盈量与上扣扭矩关系曲线，结合实际测定的上扣扭矩，计算得到对应螺纹过盈量下高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度。本发明充分考虑了实际上扣扭矩下高压管汇由壬连接结构及螺纹的综合受力情况，对由壬连接结构及螺纹进行了合理、准确的模拟，可以广泛应用于压裂作业下由壬连接结构及螺纹强度计算中，为压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的设计及使用提供了一种可靠的依据。
【专利说明】
压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及石油、天然气开发技术领域，具体地，涉及一种压裂作业用高压管汇由 壬连接结构及螺纹的强度计算方法。
【背景技术】
[0002] 高压管汇是用于石油工业输送流体的主要产品，在压裂作业过程中扮演者重要角 色，其采用的由壬连接结构具有易更换、承压高、密封性优良等优点。然而近年来，随着压裂 作业工艺技术的提升，内部流体压力不断攀升，现有高压管汇由壬连接时因人工上扣扭矩 的差异，导致连接螺纹受力不同，使得由壬的连接强度存在差异，造成高压管汇输送高压流 体安全性得不到保障，很容易出现事故。因此，对高压管汇由壬连接结构及螺纹的应力分布 进行研究，寻找上扣扭矩与连接强度的关系，规范上扣扭矩，是提升高压管汇使用性能的关 键。
[0003] 目前大部分对高压管汇由壬连接结构及螺纹设计的通常做法是根据压力范围并 参考美国ASME B1.5-ACME螺纹标准选用，再利用理论经验公式对高压管汇由壬连接结构及 螺纹的受力计算，并评价其使用性能。没有考虑上扣扭矩和扭矩差异的影响，未对整体由壬 连接结构及螺纹进行强度校核。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供了一种更合理、更精确的 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，更好地反映实际上扣扭矩工况 下高压管汇由壬连接结构及螺纹的应力特征，对提高高压管汇由壬连接结构及螺纹的使用 性能、延长高压管汇的使用寿命、降低作业成本和提高操作人员生命安全具有十分重要的 意义。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、根据设定的螺纹过盈量对由壬连接螺纹部件进行过盈装配后，将由壬连 接螺纹部件及其相关联部件的几何模型转化为二维轴对称模型，导入有限元软件中对由壬 连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分，得到有限元网格模型；
[0008] 步骤二、定义材料属性，所述材料属性包括由壬连接螺纹部件及其相关联部件的 材料的弹性模量、泊松比、屈服应力和极限强度；
[0009] 步骤三、对步骤一中得到的有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条 件，得到有限元模型，其中，所述载荷边界包括由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分的螺纹预 紧力、公由壬和母由壬的内部流道壁承受的流体压力，所述螺纹预紧力由步骤一中设定的 螺纹过盈量通过有限元软件中的模型接触模块来控制;所述约束边界条件包括母由壬和翼 形螺母之间的摩擦接触关系、翼形螺母与挡圈之间的摩擦接触关系、挡圈与公由壬之间的 绑定接触关系、公由壬与母由壬之间的摩擦接触关系；
[0010] 步骤四、将步骤三中得到的有限元模型在有限元软件中进行求解，得到与步骤一 中设定的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图；
[0011] 步骤五、通过应力分布云图得到步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺 母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力，再通过步骤一中设定的螺 纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触 力计算对应的上扣扭矩值；
[0012] 步骤六、改变步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤五，得到不同螺纹过 盈量下的上扣扭矩值，绘制螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图，通过螺纹过盈量 与上扣扭矩值之间的关系曲线图得到实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量，再以实际上扣 扭矩值所对应的螺纹过盈量作为步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤四，得到 与实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图，从而得到 与实际上扣扭矩值所对应的高压管汇由壬连接结构及螺纹强度。
[0013] 优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所 述步骤一中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分使用Plane77单元进行网格 划分，网格单元大小为1mm，并特别对由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分网格加密。
[0014] 优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所 述步骤五中通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力， 以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计算对应的上扣扭矩值的计算公式如下：
[0015] Τ = Τι+Τ2
[0016] 其中，^表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹扭矩值;Τ2 表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的挡圈对翼形螺母受压面的扭矩值；
[0017] 1\的计算公式如下：
[0018]
[0019] F'表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力， 以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力的轴向合力;cb表示母由壬和翼形螺母的螺纹中径;φ 表示母由壬和翼形螺母的螺纹升角;Ρ表示母由壬和翼形螺母的螺纹当量摩擦角；
[0020] 1~2的计算公式如下：
[0021]
[0022] μ表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的挡圈对翼形螺母受压面处的摩擦系数;D表 示挡圈对翼形螺母受压面的最大直径;d2表示挡圈对翼形螺母受压面的最小直径。
[0023] 优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所 述步骤一中设定的螺纹过盈量为0~0. 〇8_。
[0024] 优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所 述μ为0.15〇
[0025] 优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所 述步骤六中实际上扣扭矩值通过现场扭力扳手实际测得。本发明至少包括以下有益效果： [0026]本发明的高压管汇由壬连接螺纹强度计算方法合理、准确，分析、计算快速;能够 满足实际上扣扭矩下由壬连接螺纹强度校核，较为准确的表达高压管汇螺纹连接的实际情 况。该计算方法简单实用，提供了压裂作业高压管汇由壬连接螺纹设计的可靠性。
[0027] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本 发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明所述的高压管汇由壬连接结构的示意图；
[0029] 图2为本发明所述的二维轴对称模型的示意图；
[0030] 图3为本发明所述的螺纹过盈量与上扣扭矩之间的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照 说明书文字能够据以实施。
[0032] 实施例1
[0033] 如图1至图3所示，一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方 法，包括以下步骤：
[0034] 步骤一、根据初始设定的螺纹过盈量，即先预设一个螺纹过盈量0.07mm对105MPa 高压管汇由壬连接螺纹部件，即母由壬4和翼形螺母3进行过盈装配后，如图2所示，将由壬 连接螺纹部件及其相关联部件，即母由壬4、翼形螺母3、挡圈2和公由壬1的几何模型转化为 二维轴对称模型，导入有限元软件中对所有部件使用Plane77单元进行网格划分，定义由壬 连接螺纹部件及其相关联部件的网格单元大小为1mm，并特别对由壬连接螺纹部件的螺纹 连接部分网格加密。
[0035] 步骤二、定义由壬连接螺纹部件及其相关联部件的材料属性，其中，弹性模量为 200GPa、泊松比为0.3、屈服应力为930MPa和极限强度为1080MPa。
[0036] 步骤三、对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，得到有限元模 型，其中，所述载荷边界包括由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分的螺纹预紧力、公由壬和母 由壬的内部流道壁承受的流体压力，螺纹预紧力由设定的螺纹过盈量0.07mm通过有限元软 件中的模型接触模块来控制，即将螺纹过盈量〇. 〇7mm通过有限元软件中的模型接触模块进 行计算就能得到相对应的螺纹预紧力，公由壬和母由壬的内部流道壁承受的流体压力为 105MPa;所述约束边界条件包括母由壬和翼形螺母之间的摩擦接触关系、翼形螺母与挡圈 之间的摩擦接触关系、挡圈与公由壬之间的绑定接触关系、公由壬与母由壬之间的摩擦接 触关系;其中，设定的螺纹过盈量〇.〇7_下的挡圈对翼形螺母受压面处的摩擦系数为0.15。 步骤四、将有限元模型在有限元软件中进行求解，得到与设定的螺纹过盈量〇.〇7mm相对应 的由壬连接结构的应力分布云图。
[0037] 步骤五、通过应力分布云图得到步骤一中设定的螺纹过盈量0.07mm下的母由壬和 翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力，再通过设定的螺纹 过盈量0.07_下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的 接触力计算对应的上扣扭矩值(总摩擦扭矩)的计算公式如下：
[0038] Τ = Τι+Τ2
[0039] 其中，^表示设定的螺纹过盈量0.07mm下的母由壬和翼形螺母的螺纹扭矩值;T2表 示设定的螺纹过盈量〇. 〇7_下的挡圈对翼形螺母受压面的扭矩值；
[0040] !\的计算公式如下：
[0041]
[0042] F'表示设定的螺纹过盈量0.07mm下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以 及挡圈对翼形螺母受压面的接触力的轴向合力;cU表示母由壬和翼形螺母的螺纹中径，其 大小等于螺纹平均直径;中表示母由壬和翼形螺母的螺纹升角，即在中径圆柱面上螺旋线的 切线与垂直于螺旋线轴线的平面夹角;P表示母由壬和翼形螺母的螺纹当量摩擦角，是摩擦 系数的逆正切角度；
[0043] ^的计算公式如下：
[0044]
[0045] μ表不设足的螺纹过盈量0.07mm下的挡圈对翼形螺母受压面处的摩擦系数;D表示 挡圈对翼形螺母受压面的最大直径;d2表示挡圈对翼形螺母受压面的最小直径。
[0046] 通过计算得到：Ti = 1157 · 2N*m，T2 = 1005 · 8N*m，T = 2163N*m，即得到上扣扭矩为 2163N*m〇
[0047] 步骤六、改变步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤五，分别计算得到螺 纹过盈量为0.06mm、0.05mm、0.04mm、0.03mm时的上扣扭矩值，绘制螺纹过盈量与上扣扭矩 值之间的关系曲线图，如图3所示。根据现场扭力扳手实测的上扣扭矩为2003N*m，通过图3 得到所对应的螺纹过盈量为0.065mm，再以螺纹过盈量为0.065mm作为步骤一中设定的螺纹 过盈量，重复步骤一到步骤四，得到与实际上扣扭矩值2003N*m所对应的螺纹过盈量 0.065mm相对应的由壬连接结构的应力分布云图，从而得到实测的上扣扭矩为2003N*m时的 高压管汇由壬连接结构的应力分布云图，并且应力峰值为495.8MPa，位置在母由壬端的第 三个螺纹根部处，与实际情况吻合。
[0048] 实施例2
[0049] -种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，包括以下步骤：
[0050] 1)使用三维软件建立由壬连接螺纹部分及相关联部件的几何模型；
[0051] 2)根据设定的螺纹过盈量进行装配后，在结构强度最弱的装配位置处转化为二维 轴对称模型；
[0052] 3)将二维轴对称模型导入有限元软件中对所有部件进行网格划分，得到有限元网 格模型。定义材料属性，所述的材料属性是指螺纹部分及相关联部件材料的弹性模量、泊松 比、屈服应力和极限强度；
[0053] 4)对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，所述的载荷边界包括 螺纹部件及其相关联部件的内部流道壁承受流体压力和螺纹连接部分的螺纹预紧力，所述 的螺纹预紧力通过设定的螺纹过盈量来控制，即螺纹预紧力由步骤一中设定的螺纹过盈量 通过有限元软件中的模型接触模块来控制;所述的约束边界条件包括内外螺纹之间的接触 关系、翼形螺母与挡圈之间的接触关系、挡圈与公由壬之间的接触关系、公由壬与母由壬之 间的接触关系；
[0054] 5)利用有限元软件求解得出螺纹接触力与不同螺纹过盈量的关系曲线，再根据理 论经验公式求解出上扣扭矩和螺纹过盈量值关系曲线；
[0055] 6)重复2)_4)步骤，并利用有限元软件求解可求解出实际上扣扭矩所对应螺纹过 盈量下的高压管汇由壬连接结构及螺纹强度。
[0056] 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述的高压管汇连 接螺纹部分及其相关联部件在网格划分中使用Plane77单元划分网格，并特别对螺纹部分 网格加密。
[0057]压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，有限仿真模型求解 出螺纹之间接触力及翼形螺母受压面的接触力，并结合理论经验公式计算，如下，确定作用 于所述压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的摩擦扭矩：
[0058]用1^表示螺纹扭矩，通过公式（1)计算；用!^表示翼形螺母受压面的扭矩，通过公式 (2)计算;用T表示总摩擦扭矩，通过公式(3)计算：
[0059] (1)
[0060] (2)
[0061] T = Ti+T2 (3)
[0062] 公式中：
[0063] F'为有限仿真模型求解出螺纹之间接触力及翼形螺母受压面的接触力的轴向合 力；
[0064] cb为螺纹中径，等于螺纹平均直径；
[0065] Φ为螺纹升角，在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面夹角；
[0066] p为螺纹当量摩擦角，是摩擦系数的逆正切角度；
[0067] μ为翼形螺母受压面处摩擦系数；
[0068] D为翼形螺母受压面最大直径；
[0069]山为翼形螺母受压面最小直径。
[0070] 其中，上扣扭矩等于由壬连接结构及螺纹的总摩擦扭矩。
[0071] 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述的螺纹过盈量 数值范围为〇~〇.〇8mm。
[0072] 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述的螺纹之间接 触关系和翼形螺母受压面的接触关系均设置为摩擦接触，摩擦系数设置为0.15。
[0073] 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述的挡圈与公由 壬之间接触关系还可设置为绑定接触。
[0074] 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述的实际上扣扭 矩是通过现场扭力扳手实际测得的。
[0075] 压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，求解出高压管汇由 壬连接结构及螺纹强度，并得到von Mises应力分布云图，其峰值及分布状态反映螺纹连接 性能。
【主权项】
1. 一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，其特征在于，包括 W下步骤： 步骤一、根据设定的螺纹过盈量对由壬连接螺纹部件进行过盈装配后，将由壬连接螺 纹部件及其相关联部件的几何模型转化为二维轴对称模型，导入有限元软件中对由壬连接 螺纹部件及其相关联部件进行网格划分，得到有限元网格模型； 步骤二、定义材料属性，所述材料属性包括由壬连接螺纹部件及其相关联部件的材料 的弹性模量、泊松比、屈服应力和极限强度； 步骤Ξ、对步骤一中得到的有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，得 到有限元模型，其中，所述载荷边界包括由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分的螺纹预紧力、 公由壬和母由壬的内部流道壁承受的流体压力，所述螺纹预紧力由步骤一中设定的螺纹过 盈量通过有限元软件中的模型接触模块来控制;所述约束边界条件包括母由壬和翼形螺母 之间的摩擦接触关系、翼形螺母与挡圈之间的摩擦接触关系、挡圈与公由壬之间的绑定接 触关系、公由壬与母由壬之间的摩擦接触关系； 步骤四、将步骤Ξ中得到的有限元模型在有限元软件中进行求解，得到与步骤一中设 定的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图； 步骤五、通过应力分布云图得到步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的 螺纹之间的接触力，W及挡圈对翼形螺母受压面的接触力，再通过步骤一中设定的螺纹过 盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，W及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计 算对应的上扣扭矩值； 步骤六、改变步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤五，得到不同螺纹过盈量 下的上扣扭矩值，绘制螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图，通过螺纹过盈量与上 扣扭矩值之间的关系曲线图得到实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量，再W实际上扣扭矩 值所对应的螺纹过盈量作为步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤四，得到与实 际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图，从而得到与实 际上扣扭矩值所对应的高压管汇由壬连接结构及螺纹强度。2. 根据权利要求1所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，其 特征在于，所述步骤一中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分使用Plane77 单元进行网格划分，网格单元大小为1mm，并特别对由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分网格 加密。3. 根据权利要求1所述的压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法， 其特征在于，所述步骤五中通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹 之间的接触力，W及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计算对应的上扣扭矩值的计算公式如 下： Τ = Τ? 巧 2 其中，Τι表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹扭矩值;Τ2表示 步骤一中设定的螺纹过盈量下的挡圈对翼形螺母受压面的扭矩值； Τι的计算公式如下：F'表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，W及 挡圈对翼形螺母受压面的接触力的轴向合力;di表示母由壬和翼形螺母的螺纹中径;φ表示 母由壬和翼形螺母的螺纹升角;Ρ表示母由壬和翼形螺母的螺纹当量摩擦角； Τ2的计算公式如下：μ表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的挡圈对翼形螺母受压面处的摩擦系数;D表示挡 圈对翼形螺母受压面的最大直径;cb表示挡圈对翼形螺母受压面的最小直径。4. 根据权利要求1所述的压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法， 其特征在于，所述步骤一中设定的螺纹过盈量为0~0.08mm。5. 根据权利要求3所述的压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法， 其特征在于，所述μ为0.15。6. 根据权利要求1所述的压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法， 其特征在于，所述步骤六中实际上扣扭矩值通过现场扭力扳手实际测得。
【文档编号】G06F17/50GK105975671SQ201610283817
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】王峻乔, 池胜高, 潘灵永, 宋满华, 董火平, 李新年, 游艇, 周斌
【申请人】中石化石油工程机械有限公司研究院