基于kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析-刘文红.pdf

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1、2016年第40卷第3期中国石油大学学报(自然科学版)Journal of China University of PetroleumV0140 No3Jun2016文章编号：16735005(2016)03-0163-07 doi：103969jissn1673-5005201603022基于Kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析刘文红1，林 凯1，冯耀荣1，王 鹏1，谢俊峰2，杨向同2(1中国石油集团石油管工程技术研究院石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，陕西西安710077；2中国石油股份有限公司塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000)摘要：以某型特殊

2、螺纹接头为分析对象，建立该特殊螺纹密封可靠性功能函数，通过有限元方法对螺纹接头进行载荷包络线试验仿真，确定载荷包络线试验中螺纹接头密封失效的最危险载荷点。基于该最危险载荷点，通过随机化影响特殊螺纹密封性能的11个参量，利用Kriging代理模型对螺纹接头进行可靠性分析，确定其在载荷包络线试验中最危险载荷点下的密封可靠度。结果表明：基于Kri百ng模型的密封可靠性分析是评价特殊螺纹接头密封性能的一种有效方法，能够满足工程应用的需要，可用于特殊螺纹接头的设计、优化和选用。关键词：特殊螺纹接头；密封；可靠性；有限元；Kri百ng模型中图分类号：TE 925 文献标志码：A引用格式：刘文红，林凯，冯耀

3、荣，等基于Kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析J中国石油大学学报(自然科学版)，2016，40(3)：163169LIU Wenhong，LIN Kai，FENG Yaorong，et a1Analysis of sealing reliability for premium connection casing and tubingbased on Kri百ng modelJJournal ofChina University ofPetroleum(Edition ofNatural Science)，2016，40(3)：163169Analysis of sealin

4、g reliability for premium connection casingand tubing based on Kriging modelLIU Wenhon91，LIN Kail，FENG Yaoron91，WANG Pen91，XIE Junfen92，YANG Xiangton92(1State Key Laboratory of Performance and Structure Safety for Petroleum Tubular Goods and Equ扣胱眦Materialsin CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi

5、。an 710077，China；2Tarim Oil Field Branch ofPetroChina，也841000，China)Abstract：Taking a type of casing premium connection as the analysis object，a function was constructed to evaluate the sealing reliability of the connection，and the load envelope Was simulated by using the finite element methodThe wo

6、rst sealingpoint of the connection was determined during the sealing failure testBased on the most dangerous load point during the loadenvelope test，by randomizing effect of the premium connection sealing performance of 1 1 parameters，the sealing reliabilityof the casing premium connection was asses

7、sed during the test of load envelope using the Kriging surrogate modelThe sealing reliability of the connection at the worst load point was obtainedThe results show that the Kriging model is an effectivemethod in the evaluation of premium connection sealing reliability based on performance，and it ca

8、n satisfy the need of engineefing application，which is used for the design，optimization and selection of casing and tubing premium connectionsKeywords：premium connection；sealing；reliability；finite element analysis；Kri矛ng model随着油气勘探中高温高压井、深井超深井以及复杂腐蚀环境油气井的深入开发，井下环境不断恶化，复杂油气田勘探开发对油气井管柱完整性和安全可靠性提出了更高要

9、求。套管柱和油管柱是井完收稿日期：2016一0108基金项目：国家科技重大专项(2016zX05020003)；中国石油天然气集团公司科学技术项目(2011A一4208，2014A一4214)作者简介：刘文红(1972一)，男，高级工程师，博士，博士后，研究方向为石油管材失效分析、油气井管柱完整性等。E-mail：liuwenhon9001enpctomcn；wh-liu163eom。万方数据164 中国石油大学学报(自然科学版) 2016年6月整性的重要屏障，螺纹和钢级的选择是保证油气井管柱完整性的关键。特殊螺纹接头的设计克服了API螺纹接头的固有缺陷，通过独立的密封面及扭矩台肩实现多级密封

10、2，因此具有更好的密封性能。特殊螺纹接头密封能力与接头的设计与公差控制、材料性能波动以及井下工况变化(如井深、温度、井型以及地层移动)密切相关。由于材料的塑性、螺纹结构复杂接触以及载荷边界条件变化带来的多重非线性效应。难以用显性方程或解析解描述接头密封完整性问题。有必要采用基于有限元数值模拟的隐式极限状态方程进行特殊螺纹接头密封可靠性分析。目前对特殊螺纹接头密封性能的研究大多基于接头参数为名义值，这种确定性的密封性能研究方法未考虑接头几何参数、材料和载荷等的不确定性，往往会得到过于保守的结果，比如检测合格的特殊螺纹接头在井下使用一段时间后，仍然有泄漏发生3剖。从可靠性角度来研究特殊螺纹接头密封

11、性能是保证油气井管柱完整性的有效途径之一。笔者以某型特殊螺纹接头为分析对象，建立该特殊螺纹密封可靠性功能函数，通过有限元分析手段对该螺纹接头进行载荷包络线试验仿真，确定载荷包络线试验中螺纹接头密封失效的最危险载荷点。利用Kriging代理模型对该螺纹接头进行可靠性分析。1 特殊螺纹接头密封可靠性功能函数功能函数一般也称为极限状态函数，一般定义为响应量r与其临界值L之差。功能函数等于零的方程即g=r-r。=0 (1)称为极限状态方程。是失效状态和安全状态之间的区分。参考ISO 13679：2002，在特殊螺纹接头密封性能分析中忽略扭矩台肩的密封能力，所以接头的密封能力取决于密封面区域接触压力及其

12、分布，可以将连接接头密封能力的极限状态函数定义为g浏挑=r。一r。 (2)式中为接头的密封能力，表示为接触压力的函数；r。为抵抗泄漏的密封能力临界值。Murtagian61通过实物试验和数值模拟提出了一种加权的密封接触强度睨评估螺纹接头的密封性能。表示为rL矾=印：或耽=J p：(f)d1 (3)式中，P。(z)为密封接触压力；Z为密封长度；n为相关性指数，当有螺纹密封脂时，n=12；无螺纹密封脂时，i=14。密封接触强度矿表示密封接触面抵抗流体泄漏的能力，其主要影响因素为密封面接触压力和接触长度。在高温高压下油套管螺纹接头抵抗泄漏的密封能力临界值定义为睨=001(p；。p。)n 838 (4

13、)式中，Psas为管体内的压力；p。为大气压力。将连接接头密封能力的功能函数表示为g。alin。=E一既 (5)当gsealing0时，特殊螺纹接头密封可靠；g。山。0时，密封失效；g。如。=0时，特殊螺纹接头处于临界密封状态。2特殊螺纹接头密封性能有限元分析21螺纹接头有限元模型由于特殊螺纹接头所承受的机紧过盈和轴向拉伸载荷都是轴对称的。而且特殊接头螺纹升角小于20所以对特殊螺纹接头的有限元分析采用二维模型，能够满足工程需要。在特殊螺纹接头的二维仿真分析中。采用中1778 mmx919 mm的某特殊螺纹接头，图1所示为该型特殊螺纹接头二维几何模型及有限元模型整体网格。对于该型特殊螺纹接头，钢

14、级为P110，弹性模量为20684 GPa，泊松比为03，屈服强度为861875 MPa。对于特殊螺纹接头的接触属性，设置接触面的接触关系为无摩擦接触，因为无摩擦滑移。比较均匀易收敛。算法采用改进的拉格朗日法以满足收敛速度与求解精度的需要。图1某型特殊螺纹接头二维模型及有限元模型整体网格Fig1 Two dimensional model and finite elementmodel of a type of casing premium connection选用的特殊螺纹接头的最佳上扣扭矩为137kNm。内压和外压以及轴向载荷根据ISO 13679：2002确定7。对于特殊螺纹接头二维模型

15、上扣扭矩的施加，主要是通过设置螺纹接触的过盈量实现：首先预设置一定的过盈量，计算出此过盈量下的接触压力。根据接触压力推算出此过盈量下的上扣扭矩。然后与给定的上扣扭矩对比，若满足一定的误差要求则认为此过盈量即为施加该上扣扭矩所需过万方数据第40卷第3期 刘文红。等：基于Kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析 165盈量若与给定的上扣扭矩相差较大。则继续调整设置的过盈量直至满足误差要求。模型在公称尺寸下对过盈量不断调整，对于最佳上扣扭矩，设置螺纹牙轴向过盈量为0223 mm，径向过盈量为0154 mm。按过盈量设置可以计算出上扣后螺纹接头的Mises应力分布，见图2。不考虑螺纹升

16、角的影响，与上扣扭矩相平衡的反扭矩由接触面上的环向摩擦反力提供。应力MP8-6fi()8299059 一j 430516685黜25：42_S 55蹴瓢_图2标准上扣扭矩下螺纹接头Mises应力分布Fig2 Mises sh-ess distribution of casing premiumconnection under standard makeup torque根据接触面上各螺纹牙以及密封面和扭矩台肩的接触压力和半径，可得出近似的上扣扭矩为M。pl=艺zFiRi=13 506(Nm) (6)摩擦系数肛取0023。分析接触压力计算结果，螺纹啮合部分两端的接触压力较大，最大接触压力产生于密

17、封面处。22载荷包络线试验仿真结果分析对于特殊螺纹接头的载荷包络线试验，ISO13679：2002中已做了相关的规定。特殊螺纹的设计必须满足载荷包络线国际标准中的相关要求。即所有试验样本必须成功完成所有的系列载荷试验而未发生泄漏，系列载荷试验主要包括A系列、B系列以及C系列载荷试验，试验目的主要是在保证安全的前提下使特殊螺纹接头承受尽可能高的载荷和复合载荷，其载荷路径的计算可通过ISO 13679：200271确定。221 A系列载荷试验A系列试验载荷主要是室温下的压力和轴向力测试，共包含14个载荷点，各载荷点的轴向力、内压和外压见表1。逐一将载荷点施加给模型，计算每种载荷工况下的螺纹接头接触

18、压力分布，在得到了A系列试验的接触压力分布后，分别根据式(3)和(4)确定了各载荷点密封接触强度和临界密封接触强度如表2所示。222无弯曲的B系列载荷试验无弯曲的B系列试验的载荷路径共包含8个载荷点，其轴向力、内压和外压见表3。逐一将载荷点施加给模型，计算每种载荷工况下无弯曲的接触压力分布。在得到了无弯曲B系列试验的接触压力分布后，得到密封接触强度和临界密封接触强度如表4所示。表1某型特殊螺纹接头A系列试验各载荷点数值Table 1 Load points value for A series test ona special premium connection表2某型特殊螺纹接头A系列载荷

19、点对应的密封接触强度和临界密封接触强度Table 2 Contact strength and critical contactstrength of A series load point test on aspecial premium connection mMPal4表3某型特殊螺纹接头无弯曲的B系列试验各载荷点数值Table 3 Load points value for B series test withoutbending on a special premium connection223常温下C系列试验根据ISO 13679：2002确定常温下C系列试验的载荷路径，包含5个

20、载荷点，表5为轴向力和压万方数据166 中国石油大学学报(自然科学版) 2016年6月力。表6为各载荷点下密封接触强度和l临界密封接触强度。表4某型特殊螺纹接头无弯曲的B系列载荷点对应密封接触强度和临界密封接触强度Table 4 Contact strength and critical contactstrength of B series 10ad point test on aspecial premium connection ITIMPal 4表5某型特殊螺纹接头C系列试验常温下的各载荷点数值Table 5 Load points value for C series test at

21、 roomtemperature on a special premium connection表6某型特殊螺纹接头常温下的C系列试验各载荷点密封接触强度和临界密封接触强度Table 6 Contact strength and critical contact strengthof C series load point test at room temperature ona special premium connection mMPal 43种载荷工况中，A系列载荷为螺纹接头实际使用中最常用的载荷系列因此以A系列载荷的仿真结果为典型案例进行可靠性仿真分析。A系列载荷中，从载荷包络线试验

22、27个试验载荷点的密封接触强度与临界密封接触强度之差形一形。来看(图3)，A系列试验的载荷点5的值最高，说明在此载荷点下该特殊螺纹接头的密封性能最好不容易发生泄漏，而A系列试验的载荷点13的睨一形。最低，说明在此载荷点下该特殊螺纹接头的密封性能最差。选取最危险的载荷点13作为后续的密封可靠性分析中对应的载荷点。123 A45678 LqMOMIM2M3M4 B1船B3 M脑髓B7聃Cl c2 C3“C5羹背点图3载荷包络线试验各载荷点对应密封接触强度和临界密封接触强度Fig3 Load envelope test of each load point corresponding to seal

23、 contact strengthand critical seal contact strength3基于Kriging代理模型的密封可靠度计算Kriging模型能利用有限的样本信息预测整个设计空间的响应值，同时模型的有效性并不依赖于随机误差的存在，是一种非常具有“统计性”的近似技术。通过对Kriging模型、径向基函数模型和支持向量机代理模型进行比较m1，Kriging模型在概率工程设计中对无论是构建代理模型还是灵敏度分析，都是较好的方法。相比于其他传统的插值技术，Kriging模型有两方面优点9|：一是以已知信息的动一：蕾皇Iv稍雠暾隧倒隔万方数据第40卷第3期 刘文红，等：基于Krig

24、ing模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析 167态构造为基础，即只使用估计点附近的某些信息，而不是所有的信息对未知信息进行模拟。二是同时具有局部和全局的统计特性，可以分析已知信息的趋势和动态。在特殊螺纹接头的密封可靠性研究中采用Kriging代理模型。Kriging模型9可以表示为于(z)=(戈)3+Z(彳) (7)式中以算)为基函数列向量；卢为回归函数列矩阵扩(x)13为多项式部分，代表全局统计特性。z(x)表示局部偏差，一般采用均值为0，方差为盯；，协方差非0的高斯平稳随机过程，Z(戈)的协方差矩阵可以表示为COVZ(名i)，Z(z，)=盯z2 RR(戈i，z)，i，J=1，2，7

25、,。 (8)式中，n。为样本数；R为相关矩阵；尺(戈i，戈i)为任意两个样本点石i和zi之间的相关函数，相关函数常选取为高斯函数。31 Kriging代理模型构建311 影响参量及抽样方法影响特殊螺纹接头密封性能的因素可分为3类，即几何参数、材料参数和扭矩参数。由于加工误差的存在。使得特殊螺纹接头的几何参数和材料参数等不完全等于理论值，具有随机性，且服从一定分布；同时由于配合误差的存在，特殊螺纹接头的上扣扭矩也不能完全保证为最佳扭矩。以上因素的存在使得特殊螺纹接头的密封性能存在随机性，即密封可靠性问题。选取了11个对特殊螺纹密封性能影响最大的参量作为密封可靠性影响参量，见表7。表7各个随机变量

26、分布类型及参数Table 7 Distribution types and parameters of each random variable在构建Kriging模型前，必须通过确定性试验获得一定数量的已知信息。必须在密封性影响参量的设计空间抽取一定数量的样本点。在可靠性分析中，使用效果比较好的用于构建Kriging模型的抽样方法为拉丁超立方抽样方法(LHS)。该方法可以控制样本点的位置，避免样本点的小邻域堆积问题并且所得样本点可以代表设计空间中的所有部分。312 Kriging代理模型的建立与验证利用拉丁超立方抽样(LHS)n0。，样本数取100，在Matlab中编写相应程序即可得到100

27、组拉丁超立方样本数据对100组样本进行确定性试验将样本数据逐一赋予有限元模型，对特殊螺纹接头进行设置材料属性、划分网格、接触属性以及设置边界条件等一系列操作后，提交计算后利用ANSYS软件的强大求解功能，求解出每个样本对应的特殊螺纹密封面上的接触压力，进而利用式(3)得到各个样本对应的响应值，即密封接触强度，如图4所示。最后根据这100组样本值及各样本对应的响应值调用Matlab工具箱DACE建立Kriging代理模型。图4某型特殊螺纹接头密封性影响参量的各样本点及对应响应值Fig4 Sample points and corresponding response valuesof influ

28、ence parameters of a type of premium connection为了测试所建立的Kriging近似模型的有效性及准确程度，在变量的取值空间范围内，随机抽取了11个样本点，分别通过有限元分析确定了响应值，并与建立的Kriging代理模型计算的响应值进行了对比，对比结果如表8所示。若模型在精度检验中万方数据168 中国石油大学学报(自然科学版) 2016年6月不满足要求，可以通过增加构建Kriging的样本数来 Kriging代理模型后，就可以通过代理模型来代替有改变模型，直至满足要求为止。当获得满足精度的 限元仿真来计算密封响应值。表8 Kriging模型计算结果与

29、有限元结果对比Table 8 Comparison of Kging model calculation results with FEM results注：表中，外径、内径、螺纹中径和锥度单位均为mm，屈服强度单位为MPa，上扣扭矩单位为N。m。从表8可以看出确定性有限元试验得到的样 中最危险载荷点下的密封可靠度。本响应值与Kriging代理模型得到的样本响应值达 (3)基于Kriging模型的密封可靠性分析是评到了较好的一致性，最大误差控制在71之内，满 价特殊螺纹接头密封性能的一种有效方法，能够满足工程需要证明所建立的Kriging代理模型可以用 足工程应用的需要，可用于特殊螺纹接头的设

30、计、优于特殊螺纹接头的密封可靠性分析。 化和选用。32 某型特殊螺纹接头密封可靠度计算应用Monte Carlo根据各变量的分布再次进行大量抽样。样本数选择为1 000000，将抽样得到的变量数据代入已构建的Kriging代理模型，调用predictor函数预测各样本点所对应的密封接触强度响应值，再与临界密封强度值进行比较，即可得到密封可靠性功能函数(5)取值并判断该样本点是否密封失效。运行相应的用于特殊螺纹接头的密封可靠度计算Matlab程序，计算结果表明在1 000000个样本中有18个功能函数gsealing0，即在1000 000个样本中有18个样本点不满足密封要求。故该特殊螺纹接头的

31、密封可靠度为1 oR=1一而10=0999982(9)该特殊螺纹接头在ISO 13679：2002载荷包络线试验密封失效最危险点下的密封可靠度为0999982。4 结论(1)建立的某特殊螺纹接头密封可靠性功能函数确定了载荷包络线试验中螺纹接头密封失效的最危险载荷点。(2)利用Kriging代理模型对选定的特殊螺纹接头进行的可靠性分析确定了其在载荷包络线试验参考文献：1冯耀荣，韩礼红，张福祥，等油气井管柱完整性技术研究进展与展望J天然气工业，2014，34(11)：7381FENG Yaorong，HAN Lihong，ZHANG Fuxiang，et a1Research progress a

32、nd prospect of oil and gas well tubingstring integrity technologyJNatural Gas Industry，2014，34(11)：73-812 许志倩，闫相祯，杨秀娟特殊螺纹套管接头连接性能的安全可靠性分析J北京科技大学学报，2011，33(9)：11461153XU Zhiqian，YAN Xiangzhen，YANG XiujuanSafetyreliability analysis of connection capability of non-APIcasing connection jointsJJoumal of

33、University of Science and Technology Bering，2011，33(9)：114611533窦益华，许爱荣，张国政，等螺纹参数公差对油管螺纹连接强度的影响分析J石油机械，2007，35(1)：1315DU Yihua，XU Airong，ZHANG Guozheng，et a1Analy-sis of effect of thread parameter tolerances on connectingstrength of tubing threadsJChina Petroleum Machincry，2007，35(1)：13-154XIE Juere

34、n，RONG Feng，THOMAS DMehodology forreliabilitybased design and assessment of tubular connec万方数据第40卷第3期 刘文红，等：基于Kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析56789tion sealability in HPHT wellsCXian：OCTGTS，2014申昭熙，王鹏，李磊，等特殊螺纹接头密封可靠性数值分析J石油矿场机械，2012，41(1)：1013SHEN Zhaoxi，WANG Peng，LI Lei，et a1Simulationcalculation analy

35、sis of seal reliability of premium threadconnectionJOil Field Equipment，2012，41(1)：10-13MURTAGIAN G R，FANELLI V，VILLASANTE J A，eta1Sealability of stationary metal-to-metal sealsJJournal of Tribology，2004，126(3)：591-596Petroleum and Natural Gas IndustriesProcedures for testing casing and tubing conne

36、ction ISO 1 3679：2002SGeneva：International Organization for Standardization，2002HEMALATHA S，RATNA B CMeta models for variableimportance decomposition with applications to probabilistic engineering designJComputersIndustrial Engineering，2009，57(3)：9961007许志倩，闫相祯，杨秀娟，等复杂井况下油井套管柱10的系统可靠性计算J中国石油大学学报(自然科

37、学版)，2009，33(4)：125129XU Zhiqian，YAN Xiangzhen，YANG Xiujuan，et a1Calculation of casing system reliability in complex wellconditionJJournal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)2009，33(4)：125-129张崎基于Kriging方法的结构可靠性分析及优化设计D大连：大连理工大学，2005ZHANG QiStructural reliability analysis and

38、 optimiza-tion design based on Kriging methodDDalian：Dalian University of Technology，2005游海龙，贾新章，张小波，等Kriging插值与拉丁超立方试验相结合构造电路元模型J系统仿真学报，2005，17(11)：2752-2755YOU Hailong，JIA Xinzhang，ZHANG Xiaobo，et a1Constructing circuit meta model using Kriging interpolation integrated with Latin hypercube sampling experimentJJournal of System Simulation，2005，17(11)：275227SS(编辑沈玉英)万方数据