用于評估螺紋連接器的疲勞性能的應(yīng)力放大因數(shù)分析方法
【專利說明】用于評估螺紋連接器的疲勞性能的應(yīng)力放大因數(shù)分析方法
[0001]相關(guān)申請
本申請要求2013年11月6日提交的標(biāo)題為“Stress Amplificat1n Factor AnalysisMethodology for Assessing Fatigue Performance of Threaded Connectors” 的美國臨時(shí)專利申請N0.61/900849的優(yōu)先權(quán)益，通過引用將其完整地結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明一般涉及例如兩個(gè)管狀構(gòu)件、例如油氣回收領(lǐng)域中采用的套管段之間的螺紋耦合。具體來說，本公開涉及按照經(jīng)受各種循環(huán)負(fù)荷條件的螺紋耦合的預(yù)計(jì)疲勞性能的螺紋耦合的表征和評估。
【背景技術(shù)】
[0003]多種井筒操作包括諸如管道、鉆柱、提升管段、套管段等的相鄰管狀構(gòu)件的連接。在管狀構(gòu)件之間建立的接頭的一部分包括在管狀構(gòu)件之一上限定的螺紋銷連接器，其與另一個(gè)管狀構(gòu)件的螺紋套連接器接合。形成銷和套連接器的螺紋剖面常常直接切割到管狀構(gòu)件的基底金屬中。因此，螺紋剖面的截面積小于管狀構(gòu)件的柄部或管道部分的截面積，并且因此連接在結(jié)構(gòu)上比管道部分要弱。
[0004]為了評估特定目的的管狀構(gòu)件的適合性，操作員常?？紤]管狀構(gòu)件之間的連接的應(yīng)力放大因數(shù)(SAF)13SAF用來考慮在管狀構(gòu)件中發(fā)生的幾何應(yīng)力放大器所引起的應(yīng)力的增加，并且等于管狀構(gòu)件中的局部峰值應(yīng)力除以管狀構(gòu)件的管壁段中的標(biāo)稱應(yīng)力。有限元分析(FEA)技術(shù)用來識別和量化純彈性負(fù)荷條件下的連接器中的局部峰值交變應(yīng)力，以及局部峰值應(yīng)力然后用來計(jì)算管狀構(gòu)件的SAF。供應(yīng)商將常常提供SAF的這個(gè)單值，以用于表征管狀構(gòu)件，例如幫助用戶評估設(shè)計(jì)對另一種設(shè)計(jì)的相對適合性。
[0005]但是，油田中的設(shè)備極少被加負(fù)荷并且工作在純彈性條件下。管狀構(gòu)件例行地加負(fù)荷到引起連接器中的塑性變形的應(yīng)力級別。塑性變形改變管狀構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)，并且可改變管狀構(gòu)件在后續(xù)使用期間遇到的峰值應(yīng)力的位置和幅值。由于管狀構(gòu)件定期地多次連接和斷開并且隨時(shí)間再使用，所以初始FEA分析和所產(chǎn)生的SAF隨時(shí)間變成與管狀構(gòu)件的預(yù)計(jì)性能不太相干。鑒于以上所述，發(fā)明人認(rèn)識到對提供管狀構(gòu)件的綜合分析以評估現(xiàn)實(shí)操作條件下的管狀構(gòu)件的預(yù)計(jì)性能的方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]描述用于評估經(jīng)受循環(huán)負(fù)荷條件的管狀連接的性能(其反映與管狀連接的塑性變形關(guān)聯(lián)的管狀連接中的應(yīng)力的重新分布)的方法和系統(tǒng)。方法的實(shí)施例采用FEA和其他計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。
[0007]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，一種表征第一和第二管狀構(gòu)件(其通過分別在其上所限定的螺紋銷連接器和螺紋套連接器是相互可連接的)的操作性能的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法包括下列步驟:(a)由計(jì)算機(jī)接收通過螺紋銷連接器和螺紋套連接器相互連接的第一和第二管狀構(gòu)件的虛擬模型；(b)由計(jì)算機(jī)對虛擬模型施加至少一個(gè)第一模擬力，至少一個(gè)第一模擬力足以引起虛擬模型的第一和第二管狀構(gòu)件的至少一個(gè)中的模擬塑性變形；(C)由計(jì)算機(jī)從虛擬模型解除至少一個(gè)第一模擬力，使得虛擬模型的幾何結(jié)構(gòu)的一部分通過塑性變形而重新排列；(d)由計(jì)算機(jī)對虛擬模型施加至少一個(gè)第二模擬力；以及(e)由計(jì)算機(jī)識別通過至少一個(gè)第二模擬力所引起的虛擬模型中的至少一個(gè)峰值應(yīng)力。
[0008]按照本發(fā)明的另一方面，一種表征第一和第二管狀構(gòu)件(其通過分別在其上所限定的螺紋銷連接器和螺紋套連接器是相互可連接的)的操作性能的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法包括下列步驟:(a)由計(jì)算機(jī)接收通過螺紋銷連接器和螺紋套連接器相互連接的第一和第二管狀構(gòu)件的虛擬模型；(b)由計(jì)算機(jī)對虛擬模型執(zhí)行結(jié)構(gòu)容量(structure capacity)分析，以確定虛擬模型的彈性容量；(c)由計(jì)算機(jī)對虛擬模型執(zhí)行彈性分析；以及(d)由計(jì)算機(jī)對虛擬模型執(zhí)行彈性-塑性分析。彈性分析包括下列步驟:(i)對虛擬模型應(yīng)用負(fù)荷級的序列，其中負(fù)荷級的序列的各負(fù)荷級表示彈性容量的因數(shù)；(ii)對負(fù)荷級的序列的各負(fù)荷級確定虛擬模型中的模擬應(yīng)力分布，假定對模擬負(fù)荷的假設(shè)全彈性響應(yīng)；以及(iii)對負(fù)荷級的序列的各負(fù)荷級確定在螺紋連接中的至少一個(gè)或多個(gè)所選位置的峰值應(yīng)力。彈性-塑性分析包括下列步驟:(i)對虛擬模型施加至少一個(gè)第一模擬力，至少一個(gè)第一模擬力足以引起虛擬模型的第一和第二管狀構(gòu)件的至少一個(gè)中的模擬塑性變形；(ii)從虛擬模型解除至少一個(gè)第一模擬力，使得虛擬模型的幾何結(jié)構(gòu)的一部分通過模擬塑性變形而重新排列；(iii)對虛擬模型施加模擬第二力的序列，其中第二力的序列對應(yīng)于彈性分析的負(fù)荷級的序列；以及(iv)識別在一個(gè)或多個(gè)所選位置的每個(gè)通過第二模擬力的序列的每個(gè)模擬第二力的每個(gè)所引起的重新排列虛擬模型中的峰值應(yīng)力。
【附圖說明】
[0009]為了獲得并且能夠更詳細(xì)了解本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)和目的以及將變得顯而易見的其他方面的方式，通過參照形成本說明書的一部分的附圖中所示的本發(fā)明的實(shí)施例可具有以上簡述的本發(fā)明的更具體描述。但是要注意，附圖僅示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并且因此不是要被理解為限制其范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可容許其他同樣有效的實(shí)施例。
[0010]圖1是按照本公開的示例實(shí)施例、用于提供循環(huán)負(fù)荷條件下的第一和第二管狀構(gòu)件之間的預(yù)計(jì)性能的表征的系統(tǒng)的框圖。
[0011]圖2A是在第一和第二管狀構(gòu)件的銷和套之間所建立的圖1的螺紋連接的部分截面圖。
[0012]圖2B和圖2 C分別是圖2 A所示螺紋連接的螺紋剖面和軸向負(fù)荷臺肩(I ο a dshoulder)的放大視圖。
[0013]圖3A是按照本公開的另一個(gè)示例實(shí)施例、包括彈性分析、彈性-塑性分析和報(bào)告生成步驟、用于提供圖1的第一和第二管狀構(gòu)件的表征的方法的概述流程圖。
[0014]圖3B是示出圖3A的彈性分析、彈性-塑性分析和報(bào)告生成步驟的細(xì)節(jié)的流程圖。
[0015]圖4A和圖4B是示出包括第一和第二管狀構(gòu)件的有限元分析模型的邊界條件、元件和節(jié)點(diǎn)的圖1的第一和第二管狀構(gòu)件的虛擬模型的方面的示意圖。
[0016]圖5A和圖5B是示出圖3A的彈性應(yīng)力分析的備選加負(fù)荷序列的表格圖。
[0017]圖6和圖7是示出虛擬模型分別與模擬拉力和壓縮負(fù)荷的彈性應(yīng)力響應(yīng)、圖4A和圖4B的虛擬模型的地圖視圖。
[0018]圖8A和圖8B是示出對圖5B的加負(fù)荷序列中的各負(fù)荷級、經(jīng)過連接器部分的十四個(gè)接合螺紋的每個(gè)所傳送的模擬負(fù)荷的一部分的圖形視圖。
[0019]圖9是當(dāng)經(jīng)受彈性拉力和壓縮上下文中的圖5B的加負(fù)荷序列時(shí)的圖4A和圖4B的虛擬模型的連接器部分和管道部分中識別的峰值應(yīng)力的表格視圖。
[0020]圖1O和圖11是當(dāng)相對圖5A和圖5B的加負(fù)荷序列的模擬施加負(fù)荷所繪制時(shí)的圖4A和圖4B的虛擬模型的連接器部分的第一螺紋中識別的峰值應(yīng)力的圖形視圖。
[0021 ]圖12和圖13是不出圖3的彈性-塑性應(yīng)力分析的循環(huán)加負(fù)荷序列的表格和圖解圖。
[0022]圖14和圖15是示出圖12和圖13的循環(huán)加負(fù)荷序列之后的虛擬模型與模擬拉力和壓縮負(fù)荷的彈性應(yīng)力響應(yīng)、圖4A和圖4B的虛擬模型的地圖視圖。
[0023]圖16A至圖16E是示出對拉力上下文中的圖12和圖13的加負(fù)荷序列中的最后七個(gè)負(fù)荷級的每個(gè)經(jīng)過圖4A和圖4B的虛擬模型的連接器部分的十四個(gè)螺紋的每個(gè)所傳送的模擬負(fù)荷的一部分的圖形視圖。
[0024]圖17A至圖17E是示出對壓縮上下文中的圖12和圖13的加負(fù)荷序列中的最后七個(gè)負(fù)荷級的每個(gè)經(jīng)過圖4A和圖4B的虛擬模型的連接器部分的十四個(gè)接合螺紋的每個(gè)所傳送的模擬負(fù)荷的一部分的圖形視圖。
[0025]圖18A至圖18D是示出相對圖3的彈性和彈性-塑性分析的模擬施加負(fù)荷所繪制的峰值應(yīng)力的圖解圖。
[0026]圖19和圖20是示出從自彈性分析所生成的曲線的斜率來確定應(yīng)力放大因數(shù)的備選方法的圖解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述本發(fā)明