制造误差、丝扣联接对油井套管强度影响的有限元分析

　　前言

　　油井套管在制造时经常会程度不同地产生一些制造误差,如某些断面可能出现不圆或壁厚不均的情况,在工程实际中,这些误差有时会成为影响套管强度 及刚度的关键因素。本文用弹塑性有限元方法分别计算了截面在不圆及壁厚不均情况下的应力、位移,分别分析了不圆度和壁厚不均度的变化与套管所能承受的初始 屈服压力的关系,并分别分析了截面在不圆及壁厚不均情况下的塑性发展。丝扣联接也是影响套管强度的关键部分,本文用弹塑性有限元方法对丝扣联接部分作了应 力分析。对于用一般套管设计方法选择出来的套管,可将其在危险工况下的危险截面或丝扣联接部分,用本文所述方法作补充分析。

　　1　套管存在制造误差时的分析计算

　　1·1　力学计算模型

　　1·1·1　有限元网格

　　对套管中某一出现制造误差如不圆或壁厚不均的截面,取一单位高度的管段,对其作平面分析。由于供采油现场使用的油井套管不圆度和壁厚不均度都是 极微小的,本文在计算不圆度对套管强度的影响时,取长、短轴之差最大仅为2.5%,所以仍可将套管截面看成具有对称性,取二分之一作为计算区域。

　　截面不圆情况下的有限元网格如图1所示·把坐标系oxy的原点取在椭圆圆心处,以长轴为x轴,短轴为y轴·网格分别沿弧度及厚度方向划分,且用 IDF表示沿弧度方向的网格划分数,用IDT表示沿厚度方向的网格划分数,在图1中,IDF为8,IDT为2,再在相应节点间连以直线,便得到由三角形单 元组成的有限元网格。IDF,IDT的选择原则是尽量避免单元为狭长三角形,先确定IDT,然后取

　　截面壁厚不均情况下的有限元网格如图2所示。把坐标系oxy的原点取在内圆圆心处,以壁厚不均的方向为y方向,其垂直方向为x方向。网格划分方法与不圆截面的划分方法相同,在图2中,IDF为6,IDT为2。

　　1·1·2　荷载

　　套管内壁受有均匀分布的泥浆压力,由泥浆密度乘以该计算截面所在的套管深度,即可得到泥浆压力的大小。程序中把泥浆密度及截面所在深度作为输入数值,若泥浆密度一定,则可根据截面所在深度自动形成节点荷载向量。

　　1·1·3　支承

　　由于y轴是原截面的对称轴,所以可令在y轴上的节点沿x方向的位移U_i=0,如图1中的节点18,令U₁₈=0。另外,为使结构不产生沿y轴方向的刚性位移,特约束结点A,令其U_a=0,如图1中的结点23,令U₂₃=0,如图2中的节点18,令U₁₈=0。在程序中可自动处理这些支承处的边界条件。

　　1·2　数值计算及其结果分析