宝钢钢管产品与工艺设计分析的.docx

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宝钢钢管产品与工艺设计分析的

宝钢钢管产品与工艺的设计分析

王治国

上海宝钢钢管公司

1.API圆螺纹油管

2.抗粘扣油管

3.四吋直连型偏梯形螺纹套管

4.特殊螺纹油管

5.S135高强度钻杆

6.钢管张力减径变形过程仿真

1API圆螺纹油管

API圆螺纹油管是油田使用的主要管材之一，大家都十分关注其实物质量。

通过计算机有限元仿真，可以直观而深刻地认识影响油管实物质量的主要因素，从而有效地提高油管的使用性能。

API不加厚圆螺纹油管的有限元模型

上扣后螺纹接头的等效VonMises应力分布

不加厚油管上扣后外螺纹齿面接触力分布

计算结果表明，啮合螺纹两端齿面接触应力较高，这说明为什么油管在使用过程中两端容易产生粘扣，而且上扣扭矩越大接触应力越高，所以使用时应该严格控制上扣扭矩。

外加厚油管上扣后啮合螺纹齿面接触力的分布规律与不加厚油管相同，但是接触力（接触应力）较高，这说明为什么在使用过程中外加厚油管比不加厚油管更容易粘扣。

不加厚油管在轴向拉力作用下滑脱时的变形情况

不加厚油管在承受的轴向载荷增大到一定限度时，管体外螺纹大端产生较大的变形，出现颈缩，最后导致螺纹接头滑脱。

API外加厚油管在轴向拉力作用下的变形情况

在轴向载荷逐渐增大到某一限度时，API外加厚圆螺纹油管的管体产生较大变形，出现颈缩，最后断裂，这说明螺纹接头的抗滑脱强度高于管体的抗拉强度。

外加厚油管螺纹接头抗滑脱强度高，但是它的抗粘扣能力却低于不加厚油管，通过分析计算发现借助控制上扣扭矩可以在两者之间取得平衡，也就是说，将上扣扭矩控制在API标准规定的下限可以在保证抗滑脱强度的前提下提高螺纹抗粘扣能力。

2抗粘扣油管

油管粘扣主要是由于上扣后啮合螺纹齿面间产生了分布不均匀的接触应力，特别是啮合螺纹两端的齿面接触应力过大，从而引起粘扣。

通过优化螺纹参数，可以使啮合螺纹齿面接触应力分布均匀化，降低接触应力峰值，提高螺纹抗粘扣能力。

优化后

优化前

抗粘扣油管上扣后螺纹齿面接触力分布

N8027/8外加厚油管，优化后螺纹齿面接触应力峰值降低了30%左右，螺纹抗粘扣能力明显提高。

3四吋直连型偏梯形螺纹套管

为了满足油田用户的需要，我们除了开发生产API标准成品外，还研究开发了多种满足油田特殊需要的非API标准成品，四吋直连型偏梯形螺纹套管是其中之一。

直连型套管上扣后螺纹接头的等效VonMises应力分布

直连型套管在轴向拉力作用下螺纹接头的等效塑性应变分布

4特殊螺纹油管

为了满足深井、超深井、高压油气井等开采的需要，宝钢开发了特殊螺纹油管系列BGT、BGT1。

在开发过程中充分考虑油管的使用条件，在计算机数字环境中对油管的使用性能进行预测，反复优化。

BGT

BGT螺纹接头上扣后的等效VonMises应力分布

BGT

承载时BGT螺纹接头的等效VonMises应力分布

特殊螺纹油管承受管体屈服强度80%的轴向拉力和80MPa内压，这时密封面的接触应力是内压的5倍左右，完全保证了油管密封完整性，而且螺纹接头的连接强度不低于管体。

BGT

承载时BGT螺纹接头的轴向应力分布

BGT

承载时BGT纹接头的周向应力分布

计算结果表明，特殊螺纹油管在承受管体屈服强度80%的轴向拉力和80MPa内压时，螺纹接头的周向应力较低，能够适应含硫环境，有很好的耐应力腐蚀能力。

宝钢自主开发的特殊螺纹油管BGT1，采用两点密封的结构形式，具有更好的使用性能，计算结果表明BGT1能够满足高压油气井等复杂井况对油管密封完整性和结构完整性的要求。

BGT1

BGT1螺纹接头上扣后的等效VonMises应力分布

BGT1

BGT1

上扣后BGT1外螺纹齿面及密封面接触力分布

5S135高强度钻杆

宝钢S135钻杆工具接头的公端和母端分别选用不同的内径，这样的设计方案降低了加厚和焊接的工艺难度，有效地保证了产品的实物质量。

分析计算结果表明，宝钢工具接头的连接强度等同于公母端内径均为69.8mm的工具接头，而大于公母端内径均为88.9mm的工具接头。

宝钢钻杆加厚过渡带满足国内石油行业“油管、套管、钻杆、钻铤的定货补充技术条件”Miu≥100mm，R≥300mm，承受轴向载荷时R处应力集中系数为1.04，承受弯曲载荷时R处应力集中系数为0.94。

外螺纹内径d=69.8mm，内螺纹内径d=88.9mm

宝钢S135钻杆上扣后工具接头的等效VonMises应力分布

外螺纹内径d=69.8mm，内螺纹内径d=88.9mm

宝钢S135钻杆工具接头在轴向拉力作用下的

等效VonMises应力分布

内、外螺纹内径d=69.8mm

S135钻杆工具接头在轴向拉力作用下的

等效VonMises应力分布

内、外螺纹内径d=88.9mm

S135钻杆工具接头在轴向拉力作用下的

等效VonMises应力分布

R处应力集中系数为1.04

宝钢S135钻杆加厚过渡带在轴向载荷作用下的应力分布

R处应力集中系数为0.94

宝钢S135钻杆加厚过渡带在弯曲载荷作用下的应力分布

6钢管张力减径变形过程仿真

张减机是轧制钢管的关键设备，它决定了生产钢管的规格、种类、表面与壁厚质量等。

钢管张力减径变形过程的计算机数字仿真可以揭示孔型系列配置、轧制速度、产品质量等之间的关系，从而优化轧制工艺，提高产品质量。

咬入时张减机的非稳态轧制过程

张减机的稳态轧制过程

抛钢时张减机的非稳态轧制过程