压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，本发明专利技术通过现有有限元软件进行建模，定义各部件材料属性和边界条件，进行计算得到在不同螺纹过盈量下内外螺纹之间及接触端面的受力云图，并通过理论推导出螺纹过盈量与上扣扭矩关系曲线，结合实际测定的上扣扭矩，计算得到对应螺纹过盈量下高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度。本发明专利技术充分考虑了实际上扣扭矩下高压管汇由壬连接结构及螺纹的综合受力情况，对由壬连接结构及螺纹进行了合理、准确的模拟，可以广泛应用于压裂作业下由壬连接结构及螺纹强度计算中，为压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的设计及使用提供了一种可靠的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油、天然气开发
，具体地，涉及一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法。
技术介绍
高压管汇是用于石油工业输送流体的主要产品，在压裂作业过程中扮演者重要角色，其采用的由壬连接结构具有易更换、承压高、密封性优良等优点。然而近年来，随着压裂作业工艺技术的提升，内部流体压力不断攀升，现有高压管汇由壬连接时因人工上扣扭矩的差异，导致连接螺纹受力不同，使得由壬的连接强度存在差异，造成高压管汇输送高压流体安全性得不到保障，很容易出现事故。因此，对高压管汇由壬连接结构及螺纹的应力分布进行研究，寻找上扣扭矩与连接强度的关系，规范上扣扭矩，是提升高压管汇使用性能的关键。目前大部分对高压管汇由壬连接结构及螺纹设计的通常做法是根据压力范围并参考美国ASME B1.5-ACME螺纹标准选用，再利用理论经验公式对高压管汇由壬连接结构及螺纹的受力计算，并评价其使用性能。没有考虑上扣扭矩和扭矩差异的影响，未对整体由壬连接结构及螺纹进行强度校核。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供了一种更合理、更精确的压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，更好地反映实际上扣扭矩工况下高压管汇由壬连接结构及螺纹的应力特征，对提高高压管汇由壬连接结构及螺纹的使用性能、延长高压管汇的使用寿命、降低作业成本和提高操作人员生命安全具有十分重要的意义。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，包括以下步骤：步骤一、根据设定的螺纹过盈量对由壬连接螺纹部件进行过盈装配后，将由壬连接螺纹部件及其相关联部件的几何模型转化为二维轴对称模型，导入有限元软件中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分，得到有限元网格模型；步骤二、定义材料属性，所述材料属性包括由壬连接螺纹部件及其相关联部件的材料的弹性模量、泊松比、屈服应力和极限强度；步骤三、对步骤一中得到的有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，得到有限元模型，其中，所述载荷边界包括由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分的螺纹预紧力、公由壬和母由壬的内部流道壁承受的流体压力，所述螺纹预紧力由步骤一中设定的螺纹过盈量通过有限元软件中的模型接触模块来控制；所述约束边界条件包括母由壬和翼形螺母之间的摩擦接触关系、翼形螺母与挡圈之间的摩擦接触关系、挡圈与公由壬之间的绑定接触关系、公由壬与母由壬之间的摩擦接触关系；步骤四、将步骤三中得到的有限元模型在有限元软件中进行求解，得到与步骤一中设定的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图；步骤五、通过应力分布云图得到步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力，再通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计算对应的上扣扭矩值；步骤六、改变步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤五，得到不同螺纹过盈量下的上扣扭矩值，绘制螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图，通过螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图得到实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量，再以实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量作为步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤四，得到与实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图，从而得到与实际上扣扭矩值所对应的高压管汇由壬连接结构及螺纹强度。优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述步骤一中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分使用Plane77单元进行网格划分，网格单元大小为1mm，并特别对由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分网格加密。优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述步骤五中通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计算对应的上扣扭矩值的计算公式如下：T＝T1+T2其中，T1表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹扭矩值；T2表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的挡圈对翼形螺母受压面的扭矩值；T1的计算公式如下： T 1 = F ′ · t a n ( φ + ρ ) · d 1 2 ]]>F’表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力的轴向合力；d1表示母由壬和翼形螺母的螺纹中径；表示母由壬和翼形螺母的螺纹升角；ρ表示母由壬和翼形螺母的螺纹当量摩擦角；T2的计算公式如下： T 2 = μF ′ 3 · D 3 - d 2 3 D 2 - d 2 2 ]]>μ表示步骤一中设定的螺纹过盈量下的挡圈对翼形螺母受压面处的摩擦系数；D表示挡圈对翼形螺母受压面的最大直径；d2表示挡圈对翼形螺母受压面的最小直径。优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述步骤一中设定的螺纹过盈量为0～0.08mm。优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述μ为0.15。优选的是，所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法中，所述步骤六中实际上扣扭矩值通过现场扭力扳手实际测得。本专利技术至少包括以下有益效果：本专利技术的高压管汇由壬连接螺纹强度计算方法合理、准确，分析、计算快速；能够满足实际上扣扭矩下由壬连接螺纹强度校核，较为准确的表达高压管汇螺纹连接的实际情况。该计算方法简单实用，提供了压裂作业高压管汇由壬连接螺纹设计的可靠性。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本专利技术所述的高压管汇由壬连接结构的示意图；图2为本专利技术所述的二维轴对称模型的示意图；图3为本专利技术所述的螺纹过盈量与上扣扭矩之间的关系曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。实施例1如图1至图3所示，一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据设定的螺纹过盈量对由壬连接螺纹部件进行过盈装配后，将由壬连接螺纹部件及其相关联部件的几何模型转化为二维轴对称模型，导入有限元软件中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分，得到有限元网格模型；步骤二、定义材料属性，所述材料属性包括由壬连接螺纹部件及其相关联部件的材料的弹性模量、泊松比、屈服应力和极限强度；步骤三、对步骤一中得到的有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，得到有限元模型，其中，所述载荷边界包括由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分的螺纹预紧力、公由壬和母由壬的内部流道壁承受的流体压力，所述螺纹预紧力由步骤一中设定的螺纹过盈量通过有限元软件中的模型接触模块来控制；所述约束边界条件包括母由壬和翼形螺母之间的摩擦接触关系、翼形螺母与挡圈之间的摩擦接触关系、挡圈与公由壬之间的绑定接触关系、公由壬与母由壬之间的摩擦接触关系；步骤四、将步骤三中得到的有限元模型在有限元软件中进行求解，得到与步骤一中设定的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图；步骤五、通过应力分布云图得到步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力，再通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计算对应的上扣扭矩值；步骤六、改变步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤五，得到不同螺纹过盈量下的上扣扭矩值，绘制螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图，通过螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图得到实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量，再以实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量作为步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤四，得到与实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图，从而得到与实际上扣扭矩值所对应的高压管汇由壬连接结构及螺纹强度。...

【技术特征摘要】
1.一种压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据设定的螺纹过盈量对由壬连接螺纹部件进行过盈装配后，将由壬连接螺纹部件及其相关联部件的几何模型转化为二维轴对称模型，导入有限元软件中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分，得到有限元网格模型；步骤二、定义材料属性，所述材料属性包括由壬连接螺纹部件及其相关联部件的材料的弹性模量、泊松比、屈服应力和极限强度；步骤三、对步骤一中得到的有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，得到有限元模型，其中，所述载荷边界包括由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分的螺纹预紧力、公由壬和母由壬的内部流道壁承受的流体压力，所述螺纹预紧力由步骤一中设定的螺纹过盈量通过有限元软件中的模型接触模块来控制；所述约束边界条件包括母由壬和翼形螺母之间的摩擦接触关系、翼形螺母与挡圈之间的摩擦接触关系、挡圈与公由壬之间的绑定接触关系、公由壬与母由壬之间的摩擦接触关系；步骤四、将步骤三中得到的有限元模型在有限元软件中进行求解，得到与步骤一中设定的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图；步骤五、通过应力分布云图得到步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力，再通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母受压面的接触力计算对应的上扣扭矩值；步骤六、改变步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤五，得到不同螺纹过盈量下的上扣扭矩值，绘制螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图，通过螺纹过盈量与上扣扭矩值之间的关系曲线图得到实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量，再以实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量作为步骤一中设定的螺纹过盈量，重复步骤一到步骤四，得到与实际上扣扭矩值所对应的螺纹过盈量相对应的由壬连接结构的应力分布云图，从而得到与实际上扣扭矩值所对应的高压管汇由壬连接结构及螺纹强度。2.根据权利要求1所述的裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，其特征在于，所述步骤一中对由壬连接螺纹部件及其相关联部件进行网格划分使用Plane77单元进行网格划分，网格单元大小为1mm，并特别对由壬连接螺纹部件的螺纹连接部分网格加密。3.根据权利要求1所述的压裂作业用高压管汇由壬连接结构及螺纹的强度计算方法，其特征在于，所述步骤五中通过步骤一中设定的螺纹过盈量下的母由壬和翼形螺母的螺纹之间的接触力，以及挡圈对翼形螺母...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峻乔，池胜高，潘灵永，宋满华，董火平，李新年，游艇，周斌，
申请(专利权)人：中石化石油工程机械有限公司研究院，
类型：发明
国别省市：湖北;42