一种获取球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法转让专利
申请号 : CN202010025898.3
文献号 : CN111241678B
文献日 : 2021-04-27
发明人 : 许红林 , 杨斌 , 霍宏博 , 龙学渊 , 徐家年 , 苏堪华 , 郭晓乐
申请人 : 重庆科技学院
摘要 :
本发明涉及一种获取球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法，属于油气井安全技术领域。球面对锥面特殊螺纹具有密封接触应力高、易屈服的特点，准确高效计算其密封性能参数对于评价螺纹密封性能、设计密封参数至关重要。目前普遍采用的有限元方法其预设的密封面过盈量与实际上扣后实际过盈量一般不相等，而相关理论模型仅能考虑密封面弹性接触状态。本发明基于上扣后密封面实际附加作用扭矩求取密封面接触宽度和屈服宽度，提出了一种计算球面对锥面特殊螺纹弹塑性接触状态下密封性能参数的方法，所述方法中的密封面附加作用扭矩、初始屈服临界条件等均具有较强的理论基础。该方法适用范围更宽泛，准确性更好。
权利要求 :
1.一种获取球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法，其特征在于，包括如下步骤，*
步骤一：利用以下公式获取球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量弹性模量E*
式中，E为球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量弹性模量，单位为MPa；Ep为接触副中管体球面材料弹性模量，单位为MPa、Ec为接箍锥面材料弹性模量，单位为MPa；νp为接触副中管体球面、νc为接箍锥面材料泊松比，νp和νc均无因次；
步骤二：利用以下公式获取密封接触副中管体球面和接箍锥面材料屈服强度系数C1p和C1c
式中，C1p为密封接触副中管体球面材料屈服强度系数、C1c为接箍锥面材料屈服强度系数，C1p和C1c均无因次；
步骤三：利用以下公式获取密封接触副屈服强度C1SyC1Sy＝min[C1pSyp,C1cSyc]，式中：C1Sy为密封接触副屈服强度，单位为MPa；C1为密封接触副较软材料屈服强度系数，无量纲；Sy为密封接触副较软材料屈服强度，单位为MPa；Syp为密封接触副中管体球面材料屈服强度，单位为MPa；Syc为接箍锥面材料屈服强度，单位为MPa；
c
步骤四：利用以下公式获取密封面发生初始屈服的临界接触半宽ws式中， 为密封面初始屈服的临界接触半宽，单位为mm；Rs为球面半径，单位为mm；
步骤五：利用以下公式获取球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数ζ‑3 2
式中，ζ为球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数，单位为10 mm ；rs为密封面平均半径，mm；ts为密封锥面直径上锥度，单位为mm/mm；tt为螺纹直径上锥度，单位为mm/mm；P为螺距，单位为mm；μt为螺纹面摩擦系数，无因次；μs为密封面摩擦系数，无因次；E7为特殊螺纹中径，单位为mm；α为螺纹牙承载面角度，单位为度；L7为完整螺纹段轴向长度，单位为mm；g为非完整螺纹段轴向长度，单位为mm；
步骤六：利用以下公式获取密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩式中： 为密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩，单位为N·m；
步骤七：获取球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面实际附加作用扭矩Tse，若 则密封面屈服半宽b＝0；否则，利用以下公式确定屈服半宽b式中：Tse为球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面实际附加作用扭矩，单位为N·m；b为密封面屈服半宽，单位为mm；
步骤八：利用以下公式获取密封面接触半宽ws式中，ws为密封面接触半宽，单位为mm；
步骤九：利用以下公式获取密封面平均接触应力pava式中：pava为密封面平均接触应力，单位为MPa；
步骤十：获得球面对锥面特殊螺纹密封性能参数，包括接触宽度2ws，屈服宽度2b和平均接触应力pava。
说明书 :
一种获取球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法
技术领域
[0001] 本发明属于油气井井筒完整性与安全技术领域，具体涉及一种获取球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法。
背景技术
[0002] 特殊螺纹已成为解决高温高压气井、含腐蚀介质气井、热采井、储气库井等井筒完整性和安全的关键技术之一。球面对锥面特殊螺纹是一种典型的油井管特殊螺纹，它具有
密封面接触应力高、易发生屈服的特点。为确保油气井井筒密封完整性，既要保证特殊螺纹
密封面具有较高的接触应力和接触宽度，又要合理控制密封面屈服宽度以防止密封面粘
结，因此准确高效获取密封宽度、屈服宽度、平均接触应力等密封参数对于评价球面对锥面
特殊螺纹密封性能、设计密封结构参数至关重要。
密封面接触应力高、易发生屈服的特点。为确保油气井井筒密封完整性，既要保证特殊螺纹
密封面具有较高的接触应力和接触宽度，又要合理控制密封面屈服宽度以防止密封面粘
结，因此准确高效获取密封宽度、屈服宽度、平均接触应力等密封参数对于评价球面对锥面
特殊螺纹密封性能、设计密封结构参数至关重要。
[0003] 现有球面对锥面特殊螺纹密封性能参数几乎采用弹塑性有限元方法进行模拟获取，该方法通过预设密封面过盈量来模拟上扣后密封面接触应力状态，但由于受上扣操作
等相关因素影响，模拟时预设的密封面过盈量与实际上扣后产生的密封面过盈量一般不相
等，而现有相关理论模型又仅能考虑密封面弹性接触状态，导致相关密封参数获取结果与
实际情况存在差异，不利于密封性能评价和密封结构参数设计。
等相关因素影响，模拟时预设的密封面过盈量与实际上扣后产生的密封面过盈量一般不相
等，而现有相关理论模型又仅能考虑密封面弹性接触状态，导致相关密封参数获取结果与
实际情况存在差异，不利于密封性能评价和密封结构参数设计。
发明内容
[0004] 本发明的发明目的是，提供一种可以准确高效获取密封宽度、屈服宽度、平均接触应力等密封参数的方法。
[0005] 本发明提供一种获取球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法，包括如下步骤，
[0006] 步骤一：利用以下公式获取球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量弹性模量E*
[0007]
[0008] 式中，E*为球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量弹性模量，单位为MPa；Ep为接触副中管体球面材料弹性模量，单位为MPa、Ec为接箍锥面材料弹性模量，单位为MPa；νp为接触副
中管体球面、νc为接箍锥面材料泊松比，νp和νc均无因次；
中管体球面、νc为接箍锥面材料泊松比，νp和νc均无因次；
[0009] 步骤二：利用以下公式获取密封接触副中管体球面和接箍锥面材料屈服强度系数C1p和C1c
[0010]
[0011] 式中，C1p为密封接触副中管体球面材料屈服强度系数、C1c为接箍锥面材料屈服强度系数，C1p和C1c均无因次；
[0012] 步骤三：利用以下公式获取密封接触副屈服强度C1Sy
[0013] C1Sy＝min[C1pSyp,C1cSyc]，
[0014] 式中：C1Sy为密封接触副屈服强度，单位为MPa；C1为密封接触副较软材料屈服强度系数，无量纲；Sy为密封接触副较软材料屈服强度，单位为MPa；Syp为密封接触副中管体球面
材料屈服强度，单位为MPa；Syc为接箍锥面材料屈服强度,单位为MPa；
材料屈服强度，单位为MPa；Syc为接箍锥面材料屈服强度,单位为MPa；
[0015] 步骤四：利用以下公式获取密封面发生初始屈服的临界接触半宽
[0016]
[0017] 式中， 为密封面初始屈服的临界接触半宽，单位为mm；Rs为球面半径，单位为mm；
[0018] 步骤五：利用以下公式获取球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数ζ
[0019]
[0020] 式中，ζ为球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数，单位为10‑3mm2；rs为密封面平均半径，mm；ts为密封锥面直径上锥度，单位为mm/mm；tt为螺纹直径上锥度，单
位为mm/mm；P为螺距，单位为mm；μt为螺纹面摩擦系数，无因次；μs为密封面摩擦系数，无因
次；E7为特殊螺纹中径，单位为mm；α为螺纹牙承载面角度，单位为度；L7为完整螺纹段轴向长
度，单位为mm；g为非完整螺纹段轴向长度，单位为mm；
位为mm/mm；P为螺距，单位为mm；μt为螺纹面摩擦系数，无因次；μs为密封面摩擦系数，无因
次；E7为特殊螺纹中径，单位为mm；α为螺纹牙承载面角度，单位为度；L7为完整螺纹段轴向长
度，单位为mm；g为非完整螺纹段轴向长度，单位为mm；
[0021] 步骤六：利用以下公式获取密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩
[0022]
[0023] 式中： 为密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩，单位为N·m；
[0024] 步骤七：获取球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面实际附加作用扭矩Tse，若则密封面屈服半宽b＝0；否则，利用以下公式确定屈服半宽b
[0025]
[0026] 式中：Tse为球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面实际附加作用扭矩，单位为N·m；b为密封面屈服半宽，单位为mm；
[0027] 步骤八：利用以下公式获取密封面接触半宽ws
[0028]
[0029] 式中，ws为密封面接触半宽，单位为mm；
[0030] 步骤九：利用以下公式获取密封面平均接触应力pava
[0031]
[0032] 式中：pava为密封面平均接触应力，单位为MPa；
[0033] 步骤十：获得球面对锥面特殊螺纹密封性能参数，包括接触宽度2ws，屈服宽度2b和平均接触应力pava。
[0034] 参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请相关参数的计算方式。应该理解本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要
求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
[0035] 本发明的有益效果在于：
[0036] 本发明基于上扣后密封面实际附加作用扭矩求取密封面接触宽度和屈服宽度，避免了因有限元模拟计算过程中预设密封面过盈量与实际上扣后密封面过盈量不同导致密
封性能参数模拟结果与实际存在差异的问题，同时本发明建立了球面对锥面特殊螺纹弹塑
性接触状态下密封性能参数的计算方法，克服了现有相关理论方法仅能考虑密封面弹性接
触状态的限制。所述方法中的密封面附加作用扭矩、初始屈服临界条件等均具有较强的理
论基础，与现有的密封性能参数计算方法相比，适用范围更宽泛，准确性更好。
封性能参数模拟结果与实际存在差异的问题，同时本发明建立了球面对锥面特殊螺纹弹塑
性接触状态下密封性能参数的计算方法，克服了现有相关理论方法仅能考虑密封面弹性接
触状态的限制。所述方法中的密封面附加作用扭矩、初始屈服临界条件等均具有较强的理
论基础，与现有的密封性能参数计算方法相比，适用范围更宽泛，准确性更好。
附图说明
[0037] 所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下
面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
[0038] 图1是球面对锥面特殊螺纹密封性能参数计算流程图。
具体实施方式
[0039] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整性地描述，显然，所描述的实
施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0040] 本发明涉及一种基于密封面附加作用扭矩计算球面对锥面特殊螺纹弹塑性接触状态下密封性能参数的方法，属于油气井井筒完整性与安全技术领域，球面对锥面特殊螺
纹具有密封面接触应力高、易发生屈服的特点，准确高效计算密封宽度、屈服宽度、平均接
触应力等密封参数对于评价特殊螺纹密封性能、设计密封结构参数至关重要。现有球面对
锥面特殊螺纹密封性能参数几乎采用弹塑性有限元方法进行模拟计算，该方法预设的密封
面过盈量与实际上扣后产生的密封面过盈量一般不相等，而现有相关理论模型仅能考虑密
封面弹性接触状态，导致密封参数计算结果与实际情况存在差异。本发明基于上扣后密封
面实际附加作用扭矩求取密封面接触宽度和屈服宽度，提出了一种计算球面对锥面特殊螺
纹弹塑性接触状态下密封性能参数的方法，所述方法中的密封面附加作用扭矩、初始屈服
临界条件等均具有较强的理论基础。该方法适用范围更宽泛，准确性更好。
纹具有密封面接触应力高、易发生屈服的特点，准确高效计算密封宽度、屈服宽度、平均接
触应力等密封参数对于评价特殊螺纹密封性能、设计密封结构参数至关重要。现有球面对
锥面特殊螺纹密封性能参数几乎采用弹塑性有限元方法进行模拟计算，该方法预设的密封
面过盈量与实际上扣后产生的密封面过盈量一般不相等，而现有相关理论模型仅能考虑密
封面弹性接触状态，导致密封参数计算结果与实际情况存在差异。本发明基于上扣后密封
面实际附加作用扭矩求取密封面接触宽度和屈服宽度，提出了一种计算球面对锥面特殊螺
纹弹塑性接触状态下密封性能参数的方法，所述方法中的密封面附加作用扭矩、初始屈服
临界条件等均具有较强的理论基础。该方法适用范围更宽泛，准确性更好。
[0041] 本实施例提供的一种计算球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法，包括如下计算步骤：
[0042] 步骤一：获取Ep、Ec、νp、νc值，并由下式计算球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量*
弹性模量E
弹性模量E
[0043]
[0044] 式中，E*—球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量弹性模量，MPa；Ep、Ec—分别为接触副中管体球面和接箍锥面材料弹性模量，MPa；νp、νc—分别为接触副中管体球面和接箍锥
面材料泊松比，无因次；
面材料泊松比，无因次；
[0045] 步骤二：由下式计算密封接触副中管体球面和接箍锥面材料屈服强度系数C1p和C1c
[0046]
[0047]
[0048] 式中，C1p、C1c—分别为密封接触副中管体球面和接箍锥面材料屈服强度系数，无因次；
[0049] 步骤三：获取Syp、Syc值，由下式计算密封接触副屈服强度C1Sy
[0050] C1Sy＝min[C1pSyp,C1cSyc] (3)
[0051] 式中：C1Sy—为密封接触副屈服强度，MPa；C1—密封接触副较软材料屈服强度系数，无量纲；Sy—密封接触副较软材料屈服强度，MPa；Syp、Syc—分别为密封接触副中管体球
面和接箍锥面材料屈服强度，MPa；
面和接箍锥面材料屈服强度，MPa；
[0052] 步骤四：获取Rs值，由下式计算密封面发生初始屈服的临界接触半宽
[0053]
[0054] 式中， —密封面初始屈服的临界接触半宽，mm；Rs—球面半径，mm。
[0055] 步骤五：获取rs、ts、tt、P、μt、μs、E7、α、L7、g值，由下式计算球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数ζ
[0056]
[0057] 式中，ζ—球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数，10‑3mm2；rs—密封面平均半径，mm；ts—密封锥面直径上锥度，mm/mm；tt—螺纹直径上锥度，mm/mm；P—螺距，
mm；μt—螺纹面摩擦系数，无因次；μs—密封面摩擦系数，无因次；E7—特殊螺纹中径，mm；α—
螺纹牙承载面角度，°；L7—完整螺纹段轴向长度，mm；g—非完整螺纹段轴向长度，mm；
mm；μt—螺纹面摩擦系数，无因次；μs—密封面摩擦系数，无因次；E7—特殊螺纹中径，mm；α—
螺纹牙承载面角度，°；L7—完整螺纹段轴向长度，mm；g—非完整螺纹段轴向长度，mm；
[0058] 步骤六：由下式计算密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩
[0059]
[0060] 式中： —密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩，N·m；
[0061] 步骤七：获取球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面实际附加作用扭矩Tse，如果密封面屈服半宽b＝0；否则，由下式运用试算法确定屈服半宽b
[0062]
[0063] 式中：Tse—球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面实际附加作用扭矩，N·m；b—密封面屈服半宽，mm；
[0064] 步骤八：由下式计算密封面接触半宽ws
[0065]
[0066] 式中，ws—密封面接触半宽，mm；
[0067] 步骤九：由下式计算密封面平均接触应力pava
[0068]
[0069] 式中：pava—密封面平均接触应力，MPa；
[0070] 步骤十：获得球面对锥面特殊螺纹密封性能参数，包括接触宽度2ws，屈服宽度2b和平均接触应力pava。
[0071] 上述步骤中Ep、Ec、νp、νc、Syp、Syc、R、rs、ts、tt、P、μt、μs、E7、α、L7、g、Tse各值的获取过程可以通过测量得出，也可以通过查阅产品的参数得出。
[0072] 实施例：以上述实例球面对锥面特殊螺纹说明所述一种计算球面对锥面特殊螺纹密封性能参数的方法的过程。
[0073] 通过测量或者查阅产品参数得到某球面对锥面特殊螺纹密封接触副中管体球面和接箍锥面材料弹性模量分别为206000MPa、100000MPa，泊松比分别为0.28、0.32，屈服强
度分别为758.42MPa、250MPa；接触副中管体球面半径为100mm、密封面平均半径为59.4mm、
密封锥面直径上锥度为1/10mm/mm、密封面摩擦系数为0.08；螺纹直径上锥度为1/16mm/mm、
螺距为5.08mm、螺纹面摩擦系数为0.08、螺纹中径为125.83mm、螺纹牙承载面角度为3°、完
整螺纹段轴向长度为45.17mm、非完整螺纹段轴向长度为50.39mm；密封面实际附加作用扭
矩2388.6N·m。
度分别为758.42MPa、250MPa；接触副中管体球面半径为100mm、密封面平均半径为59.4mm、
密封锥面直径上锥度为1/10mm/mm、密封面摩擦系数为0.08；螺纹直径上锥度为1/16mm/mm、
螺距为5.08mm、螺纹面摩擦系数为0.08、螺纹中径为125.83mm、螺纹牙承载面角度为3°、完
整螺纹段轴向长度为45.17mm、非完整螺纹段轴向长度为50.39mm；密封面实际附加作用扭
矩2388.6N·m。
[0074] 步骤一：由式(1)计算球面对锥面特殊螺纹密封接触副当量弹性模量E*为74350.6MPa；
[0075] 步骤二：由式(2)计算密封接触副中管体球面和接箍锥面材料屈服强度系数C1p为1.769、C1c为1.818；
[0076] 步骤三：由式(3)计算密封接触副屈服强度C1Sy为454.6MPa；
[0077] 步骤四：由式(4)计算密封面发生初始屈服的临界接触半宽 为1.223mm；
[0078] 步骤五：由式(5)计算球面对锥面特殊螺纹上扣后密封面附加作用扭矩系数ζ为2
1.883mm；
1.883mm；
[0079] 步骤六：由式(6)计算密封面发生初始屈服时密封面附加作用扭矩 为1643.9N·m。
[0080] 步骤七：因为 由式(7)确定密封面屈服半宽b为0.348mm；
[0081] 步骤八：由式(8)计算密封面接触半宽ws为1.271mm；
[0082] 步骤九：由式(9)计算密封面平均接触应力pava为357.03MPa；
[0083] 步骤十：获得球面对锥面特殊螺纹密封性能参数，包括接触宽度2ws为2.54mm，屈服宽度2b为0.7mm，平均接触应力pava为357.03MPa。
[0084] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。