悬挂器的悬挂载荷计算
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红皮的王鸿勋、张琪的＜采油工艺原理＞中就有一组计算最大载荷的经验公式。

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水下套管悬挂器螺纹连接强度分析PDF
套管头结构应力分析及评价
本篇文章来源于骆驼论文网（）原文出处：
/a/guanli/xingzhengguanli/2011/0427/81418.html
摘要：采用有限元软件建立套管头整体有限元模型，计算套管头在不同工况条件下的应力。

得到了套管头壳体各部分及内部悬挂器的应力分布状态，依据给出的复杂应力评定标准对其进行强度评价，并计算出不同类型套管头的极限悬挂载荷，为套管头安全可靠的工作提供了技术保证。

结果表明，套管头最终悬挂载荷取决于套管头壳体自身因素、内部悬挂器承受的极限重量和套管自身的强度等三方面的因素。

套管头是套管和井口装置的重要连接件，是安装井口防喷装置的基础。

套管头连接于表层管，悬挂除表层套管以外的其它套管，承受部分或全部的套管重量，套管头还密封各层套管的环形空间，承受套管环空的压力，具有重要的使用价值。

开展了不同工况条件下套管头力学分析，并对其整体及局部的应力进行应力分析及强度评价，得到不同工况下套管头的极限悬挂载荷。

一、整体套管头力学分析模型
(1)建立有限元模型。

根据套管头结构特点和载荷特性，选择整个套管头为研究对象，同时考虑壳体开孔对其应力分布的影响、悬挂器螺纹和卡瓦牙在套管重量和内部压力作用下的局部分析，以及内部悬挂器与壳体的接触非线性行为，对套管头及其内部结构进行建模，建立了图1所示的实体模型和三维空间非线性有限元模型，以及悬挂器螺纹和卡瓦牙的局部轴对称模型，见图2。

(2)计算参数。

载荷：套管头受自重、内压、螺栓预紧力、悬挂器及局部悬挂套管作用，而局部套管受到内压和悬挂载荷作用。

边界条件：悬挂器与套管头壳体接触面为接触摩擦边界，表层套管下端为位移约束。

根据固井工艺及套管头承受载荷情况，选取最危险的两种工况对套管头进行应力分析；一级坐挂＋试压35MPa和二级坐挂＋试压70MPa。

二、套管头复杂应力评价标准
套管头有限元统一的应力评定标准对套管头本体及内部构件进行评定。

参照SY/5127-2002标准，对于套管头本体的应力评定应将套管头本体的材料分为标准材料和非标准材料。

(1)对于标材料承压装置的设计计算按ASME锅炉和压力容器规范中所叙述的设计方法，设计许用应力应按下列准则限定。

Sm＝2/3sy
式中：Sy-材料规定的最小屈服强度：Sm-额定工作压力下的设计应力强度。

(2)同样采用上述设计方法，对非标材料承压装置的设计需用应力应按下列准则限定。

Sm＝min(2/3sv，1/2Su)
式中：Su-材料规定的最小抗拉强度。

(3)参照ASME锅炉和压力容器对复杂应力下强度评定标准，对套管头悬挂器进行强度评定。

考虑挤压的悬挂器主体的局部应力分布。

Sm＝Sy
(4)考虑悬挂器螺纹牙、卡瓦牙与套管间的局部屈服应力二次分布。

Sm＝min(2Sy，Su)
三、套管头应力分析及强度评价
(1)套管头应力分析。

根据GB/T9253.2-1999，确定出与本次计算相关的材料参数。

以双级分体式套管头(一级芯轴坐挂、二级卡瓦坐挂)为例进行计算，其余类型套管头计算方法与之相同。

根据所建立的有限元模型，计算两种危险工况下套管头的应力。

图3-图4给出工况1条件下的整体套管头及悬挂器螺纹的应力分布，各工况下主要部件的最大应力和强度评价结果。

分析表明，在工况1条件下，芯轴悬挂器应力分布范围为45.5-394MPa，最大应力值发生在芯轴悬挂器与技术套管作用的接触面上，其值为394MPa，属于挤压应力，满足强度要求St<1.5[S]。

[S]＝344，[S]代表许用应力，MPa。

密封垫片应力分布范围为14.5-201MPa，最大应力值发生在本体与垫片作用的接触面上，其值为201MPa，属于挤压应力，满足强度要求，St<1.5[s]。

其余各部件最大应力值小于许用应力，即满足强度要求，Sr<[S]。

芯轴螺纹牙的最大部件最大应力为584MPa大于其屈服应力，但是其发生弹塑变形区域小于承载面的1/3，满足强度要求。

在工况2条件下，卡瓦悬挂器应力分布范围为14.6-483MPa，最大应力值发生在卡瓦牙与油层套管作用的接触面上，其值为483MPa，属于挤压应力，满足强度要求，Sr<[1.5S]。

垫片应力分布范围为27.8-169MPa，最大应力值发生在本体与垫片作用的接触面上，其值为169MPa，属于挤压应力，满足强度要求，St<1.5[s]。

其余各部件最大应力值小于许用应力，即满足强度要求St<[S]。

其余类型套管头计算方法与之相同，由计算结果可知，双级套管头在内部悬挂器与套管头壳体相接触部位应力最大、最薄弱，与表层套管相接处支撑部位应力值次大，在进行套管头设计和试压时，应着重关注此部位；单级套管头在与表层套管相接处支撑部位应力值最大、最薄弱，在内部悬挂器与套管壳体相接触部位次大。

(2)套管头悬挂参数的设计。

为了确定不同形式套管在不同悬挂套管重量下的安全性，分别计算了各种套管头结构在给定套管内压、悬挂不同套管重量下的安全性，计算出不同套管头的极限悬挂载荷。

以双级分体式套管头(一级芯轴坐挂、二级卡瓦坐挂)为例进行计算，得到整体套管头及悬挂器螺纹、卡瓦牙在极限载荷作用下的应力分布情况。

在极限载荷作用下双级分体套管头满足强度要求；套管头的本体二级悬挂器悬挂座处的最大应力达到342MPa，接近许用应力强度344MPa，因此此处为套管头本体的最危险截面。

但是实际在工作中，套管头悬挂载荷的多少，除和套管头自身的悬挂能力有关外，还和所悬挂套管的强度有关。

因此套管头的极限悬挂载荷应该结合不同套管综合考虑。

采用相同的计算方法，得到不同套管头悬挂不同套管极限悬挂载荷。

结果表明，套管头最终悬挂载荷取决于三方面因素：一是套管头壳体自身因素。

二是内部悬挂器承受的极限重量，取决于卡瓦悬牙和芯轴悬挂器螺纹牙。

三是套管自身的强度，包括套管连接的丝扣强度和套管本体的屈服强度。

四、结束语
建立了整体套管头的三维有限元模型及螺纹牙、卡瓦牙的轴对称模型。

结果表明，套管头内部悬挂器与套管头壳体相接触部位及与表层套管相接处支撑部位应力值较大，较薄弱，但均满足强度要求。

通过对套管头极限悬挂载荷的计算可知，对于双级分体套管头，一级悬挂最重270t，二级悬挂最重228t；对于双级整体式套管头，一级悬挂最重250t，二级悬挂最重280t，单级套管头最大悬挂92t，极限悬挂与悬挂器类型无关。

参考文献：
1.刘扬，陈琳，陈国华，套管头结构模糊可靠性分析[J]，石油学报1994，15(1)：120-126
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