ZSB螺纹套管结构设计及其连接性能实验研究

摘要

针对当前特殊石油螺纹套管不能完全满足现代石油工业发展的需要，套管螺纹接头处的应力分布不均匀，易粘扣、断扣等问题，本论文以ZSB石油螺纹套管(“Z”代表锥螺纹、“S”代表4线螺纹、“B”代表变螺距螺纹连接)为研究对象，开展了其结构设计、理论分析及计算、三维有限元建模与仿真和结构的半实物物理模型实验的系统研究。具体研究内容如下：
　　(1)ZSB螺纹套管的结构研究与设计
　　通过大量收集国内外石油螺纹套管的相关资料，系统研究它们的优缺点、使用场合、加工制造的难度与成本等问题，在不断优化与改进的基础上，设计出ZSB螺纹套管的具体结构，包括接箍与管体的连接结构、螺纹牙型结构、变螺距方案、密封形式、防松结构等，完成了ZSB螺纹套管的二维装配图和所有零件图的设计。
　　(2)ZSB螺纹套管连接性能的理论计算
　　对ZSB螺纹套管的自锁性、连接强度、受载变形情况、抗屈服破坏能力等开展基础技术研究，建立起相关的力学模型，完成相关的理论计算，获取它们的相关性能数据。并且对变螺距设计的原理及变螺距量的大小进行了理论分析。
　　(3)ZSB螺纹套管的三维建模与仿真
　　在完成结构设计、理论计算的基础上，用Ansys Workbench有限元分析软件建立起其精确的三维有限元模型并划分出比较优良的网格单元，根据石油螺纹套管的主要工况，对其三维实体有限元模型进行合理的模拟加载，设置好接箍与管体间的内外牙体的接触类型，分析比较不同变螺距结构的螺纹套管在相同受载条件下的应力场，得出最优的变螺距方案。根据其应力分布情况，调整前期结构设计和计算过程中的尺寸参数，进一步改进套管的结构尺寸。
　　(4)ZSB螺纹套管的半实物物理模型实验研究
　　对设计出的ZSB螺纹套管进行半实物物理模型实验研究，分析该套管在低载荷、满载荷和过载荷等工况下，螺纹各牙体的变形规律，间接得出其螺纹连接部位啮合受载时的应力分布规律，并且在实验过程中能够方便的观察到ZSB螺纹套管失效的原貌图，及时的分析其失效的原因。本阶段需要确定实验研究的原理和方法，完成实验装置的设计、制造、装配和调试，通过系统、完整的实验研究，得到相关的实验数据和图片，并对其进行整理分析，将实验的结果与有限元仿真的结果进行比较，得出实验研究的验证结论。