【科普】锥形密封螺纹连接的性能评价
密封锥螺纹连接结构广泛应用于石油开采、地质钻探等领域。螺纹连接接头是锥螺纹连接结构的薄弱环节，最易出现损坏，失效的主要形式是螺纹接头的密封能力和连接强度降低。深入研究密封锥管螺纹连接力学性能和密封机理，对于降低管接头失效事故，延长设备使用寿命，具有重大科学意义、技术价值和经济效益。
密封锥螺纹连接强度是指螺纹连接结构在服役过程中螺纹丝扣承受各种外部载荷耦合作用(轴向力、上扣扭矩、流致振动、管壁内外压力差波动、弯曲载荷、挤压力、热应力等)的能力。螺纹连接部位的受力分布在很大程度上决定着密封锥螺纹连接的承载能力，研究螺纹连接力学性能的关键就是计算螺纹连接的受力分布和各圈螺纹牙的受力和变形。螺纹管接头受载后，管体和螺纹牙上的应力包括：径向和轴向接触压力、沿螺纹面的径向和周向摩擦力等，这些作用力的大小和方向各不相同、相互牵制、相互影响，形成复杂的力系组合。在复杂力系作用下，内外螺纹牙在径向、周向和轴向上都会产生变形，最终导致螺纹牙啮合面呈现复杂的应力和变形状态。
密封锥螺纹连接受力示意图
锥形螺纹连接和密封性能分析方法主要是理论解析法、试验法和有限元方法。理论解析法是基于古典弹性力学理论的求解方法，但较多的假设使分析结果精准性不高。试验方法难以直接观测到紧配合接触界面的应力应变变化情况。有限元法能够准确模拟联接螺纹的力学性能，获取螺纹的应力应变分布及变形规律，是研究油套管螺纹联接性能的有效方法。有限元模拟的计算模型对分析精准度有较大影响。
普通螺纹连接结构的扭矩-预紧力公式不适用于密封管螺纹连接结构，原因如下：(1) 密封管螺纹啮合面的等效摩擦直径因锥度的存在而发生变化；(2) 假设啮合螺纹面的接触应力在径向方向均匀分布，而在啮合螺纹段的轴向方向接触应力是分布不均匀的，因此啮合螺纹段的等效摩擦直径的计算比较复杂；(3) 普通米制螺纹或MJ螺纹连接结构啮合螺纹段的轴向力分布理论主要有Sopwith法和山本晃法(Yamatoto法)，然而针对密封管螺纹连接结构，尚未有轴向力分布的理论分析。综合上述三点，考虑到材料的弹塑性变形和实际的拧紧方法，密封管螺纹连接结构的扭矩-预紧力关系、预紧力在啮合螺纹段的分布情况、各圈啮合螺纹牙的接触应力、螺纹牙底弹塑性变形和等效应力等数据需要通过对密封螺纹部件进行精确有限元建模，并准确模拟其拧紧过程，才可获取上述数据。
建立的密封螺纹部件有限元模型需符合下述要求：(1) 啮合螺纹段的网格需细化同时通过轮廓方程保证几何精准度；(2) 啮合螺纹段的非关键部位采用过渡网格进行稀疏化，降低单元数目，提高计算效率；(3) 啮合螺纹段附近区域可手动建模。
锥形螺纹精密有限元模型及其等效应力云图
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