基于金属密封原理的管道螺纹密封性能研究

摘要

石油开采使用的石油套管是应用金属密封技术的典型高技术附加值产品，套管连接部密封的性能取决于结构参数，进而螺纹参数的加工误差会改变金属密封表面的接触状态从而影响密封性能。为获得运用金属密封技术的石油套管接头密封性能受连接部结构参数和螺纹加工误差的影响规律，本文以锥面/锥面、柱面/球面两种密封结构的特殊螺纹接头为研究对象，采用有限元软件进行模拟分析，得出在上扣工况和上扣+拉伸工况下，台肩及主密封面的加工误差、球面曲率半径、锥度变化的结构参数对两种结构的密封面接触压力及分布规律的影响，以及特殊螺纹接头密封性能受主要螺纹参数的影响规律。
　　本研究表明：⑴两种密封结构接头的扭矩台肩接触压力受参数变化影响较为敏感，而主密封面的接触应力受影响相对较小；在只有上扣工况时，采用锥面/锥面的密封结构接头较为适用，而在存在拉伸工况时，柱面/球面结构的密封结构更为适用。⑵两种密封结构特殊螺纹接头的台肩接触压力受螺距偏差、锥度偏差的影响较为敏感，密封面接触压力则受中径偏差、锥度偏差的影响较大。总之，锥面/锥面结构套管接头的台肩接触压力在上扣工况下受到偏差影响较小，柱面/球面结构套管接头的密封面接触压力比锥面/锥面结构更少受螺纹偏差影响。⑶柱面/球面结构的主密封结构的接触压力略高，受主密封面加工误差影响不大，对加工制造的精度要求不高，且在承受拉伸载荷时柱面/球面结构的密封更为稳定可靠；锥面/锥面结构的密封性能受螺纹参数的加工误差影响不大，可以大幅降低螺纹部分变形造成密封失效的可能。

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第一章 前 言

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外套管密封性能的研究进展

1.3 本文主要研究内容

1.4 研究方法与技术路线

第二章 金属密封机理及套管密封原理

2.1 金属密封机理

2.2 套管结构种类及密封形式

2.3 本章小结

第三章 管道螺纹的结构分析及力学行为研究

3.1 厚壁圆筒理论

3.2 普通螺纹套管上扣过盈联接的力学行为研究

3.3 普通螺纹套管受拉联接力学行为研究

3.4 普通螺纹套管上扣及拉伸时的齿面接触压力的计算方法

3.5 本章小结

第四章 管道螺纹密封性能的有限元分析

4.1 有限元分析

4.2 不同工况下主密封结构对密封性能的影响

4.3 不同工况下螺纹参数对密封性能的影响

4.4 本章小结

第五章 管道螺纹密封试验研究

5.1 试验装置

5.2 试验方法

5.3 实验步骤

5.4 试验结果分析

5.3 本章小结

第六章 结 论

参考文献

发表论文及参加科研项目

致谢