Finite Element Analysis of Thread Tightness of Double⁃Ferrule Joint Based on ANSYS

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.05.012

Abstract

Abstract:

Card sleeve joints are widely used in the connection of hydraulic and pneumatic equipment such as oil and gas pipelines, and its connection reliability has an important impact on the safety of oil and gas pipelines. However, there is no report on the influence of external working conditions on the stress characteristics of the thread of card sleeve joints in oilfield ground pipelines. A three?dimensional model of the double card sleeve joint was established using SolidWorks software; The maximum equivalent stress (Von Mises stress) of the sleeve joint was numerically analyzed using ANSYS finite element software. The results indicate that within the yield limit, the greater the axial force, the better the sealing performance of the sleeve joint, while the internal pressure has little effect on the sealing of the pipe joint, and the risk of thread sticking due to excessive stress can be ignored; The influence of thread parameters on sealing performance is significant; The optimal pitch and number of threads for a sleeve joint with an outer diameter of 12 mm and an inner diameter of 9 mm are 1.5 mm and 7, respectively. The research results can provide theoretical basis and reference for the optimization of structural performance and scientific operation in the assembly process of card sleeve joints, which has important engineering significance.

Key words: Ferrule fitting, Sealing property, Thread, Von Mises yield criterion, Maximum equivalent stress

摘要：

卡套接头广泛应用于油气管道等液压气动设备的连接中，其连接可靠性对油气管道安全具有重要影响，但针对外部工况对油田地面管线卡套接头螺纹受力特性影响的研究未见报道。采用SolidWorks软件，建立了双卡套接头三维模型；应用ANSYS有限元软件，对卡套接头的最大等效应力（Von Mises应力）进行了数值分析。结果表明，在屈服极限内，轴向力越大，卡套接头的密封性越好，而内压对管接头密封影响很小，可以忽略螺纹处因应力过大发生粘扣的风险；螺纹参数对密封性能的影响很大；对外径为12 mm、内径为9 mm的卡套接头，最佳螺距为1.5 mm，最佳螺纹圈数为7。研究结果可为卡套接头的结构性能优化及装配过程中的科学操作提供理论依据和参考，具有重要的工程意义。

关键词: 卡套接头, 密封性能, 螺纹, Von Mises屈服准则, 最大等效应力

CLC Number:

TE28

Yundong YUAN, Jianqiang HAN, Guangjian ZHANG, Chunhao YU, Zhendong HAO, Guanghong DAI, YILINAER·Tuerxun, Kaifeng FAN. Finite Element Analysis of Thread Tightness of Double⁃Ferrule Joint Based on ANSYS[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2024, 44(5): 82-89.

袁运栋, 韩建强, 张广建, 余春浩, 郝振东, 代光洪, 依力娜尔·吐尔逊null, 范开峰. 基于ANSYS的双卡套接头螺纹密封性有限元分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(5): 82-89.

Figures/Tables 13

Fig.1 Structural diagram of double?ferrule joint

Fig.2 Calculation model of 1/4 ferrule joint

Table 1 Material parameters of 316 stainless steel

材料参数	数值
密度/(kg·m^－3)	8 000
弹性模量/GPa	195
泊松比	0.3
屈服极限/MPa	205

Fig.3 Grid division of ferrule joint and front and rear ferrules

Table 2 Number of units and nodes of each component of ferrule joint

接头组件	单元数	节点数
接头体	9 670	17 590
卡套螺母	7 456	13 315
前卡套	1 924	6 818
后卡套	7 935	13 817
钢管	2 912	15 935

Table 3 External load and thread parameter settings

参数	数值
轴向拉力/kN	20，25，30，35，40
轴向压力/kN	3，4，5，6，7
内压/MPa	4.0，4.5，5.0，5.5，6.0
螺距/mm	1.3，1.4，1.5，1.6，1.7
螺纹圈数	5，6，7，8，9

Fig.4 Equivalent stress cloud map of 1/4 ferrule joint and threaded surface

Fig.5 Cloud map of equivalent stress distribution of ferrule joint under different axial tensile forces

Fig. 6 The variation curve of maximum equivalent stress on different threaded teeth with axial tension

Fig.7 Cloud chart of equivalent stress distribution of ferrule joint under different axial pressures

Fig.8 Maximum equivalent stress curve of thread under different axial pressures

Fig.9 Cloud chart of equivalent stress distribution of ferrule joint under different internal pressure

Fig.10 Maximum equivalent stress distribution curve of ferrule joint under different pitch and number of thread turns

References 27

1	曹学文，谢振强，彭文山，等.多相流管道冲蚀研究进展［J］.油气储运，2021，40（10）：1092⁃1098.
	CAO X W，XIE Z Q，PENG W S，et al.Research progress of erosion in multiphase pipelines［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2021，40（10）：1092⁃1098.
2	张艳玲，黄贤滨，叶成龙，等.基于多相流模拟的原油输送管道内腐蚀预测［J］.油气储运，2016，35（1）：43⁃46.
	ZHANG Y L，HUANG X B，YE C L，et al.Prediction for internal corrosion of oil pipelines based on multi⁃phase flow simulation［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2016，35（1）：43⁃46.
3	郭崇晓，张燕飞，吴泽.双金属复合管在强腐蚀油气田环境下的应用分析及其在国内的发展［J］.全面腐蚀控制，2010，24（2）：13⁃17.
	GUO C X，ZHANG Y F，WU Z.The application analysis of bimetal⁃pipe in oil and gas fields with high corrosion and its interior development［J］.Total Corrosion Control，2010，24（2）：13⁃17.
4	傅广海.徐深气田CO₂防腐技术分析［J］.油气田地面工程，2008，27（4）：66⁃67.
	FU G H.Analysis of CO₂ anticorrosion technology in xushen gas field［J］.Oil⁃Gas Field Surface Engineering，2008，27（4）：66⁃67.
5	白劲松，李士斌，刘照义.基于ANSYS的钻柱变径接头螺纹三维有限元分析［J］.当代化工，2022，51（2）：462⁃465.
	BAI J S，LI S B，LIU Z Y.Three⁃dimensional finite element analysis of drill string reducing joint thread based on ANSYS［J］.Contemporary Chemical Industry，2022，51（2）：462⁃465.
6	高勇，王勇，淡勇，等.齿轮泵静力结构及接触应力的数值模拟［J］.当代化工，2018，47（7）：1416⁃1419.
	GAO Y，WANG Y，DAN Y，et al.Numerical simulation of the static structure and contact stress of gear pump［J］. Contemporary Chemical Industry，2018，47（7）：1416⁃1419.
7	顿国强，叶金，夏雯桢，等.基于EDEM的反转啮合齿轮式排肥器的仿真设计与试验［J］.沈阳农业大学学报，2019，50（2）：231⁃237.
	DUN G Q，YE J，XIA W Z，et al.Simulation design and test of reverse rotation meshing gear fertilizer apparatus based on EDEM［J］.Journal of Shenyang Agricultural University，2019，50（2）：231⁃237.
8	牛红杰. 卡套式管接头性能分析及发展趋势［J］. 设备管理与维修， 2018（14）：182⁃184.
	NIU H J.Performance analysis and development trend of bayonet pipe joint［J］.Plant Maintenance Engineering，2018（14）：182⁃184.
9	雷雄.（单）卡套式管接头与双卡套式管接头的密封性能对比［J］.液压气动与密封，2002（2）：43⁃45.
	LEI X.（Single） comparison of sealing performance between bayonet pipe fittings and double bayonet pipe fittings［J］. Hydraulics Pneumatics & Seals，2002（2）：43⁃45.
10	程芳玲.金属卡套式管接头装配工艺［J］.机车车辆工艺，2011（1）：36⁃37.
	CHENG F L.Assembling process for metal ferrule pipe joints［J］.Locomotive & Rolling Stock Technology，2011（1）：36⁃37.
11	杜春臣，林立峰.卡套式管接头的应用研究［J］.柴油机设计与制造，2015，21（4）：35⁃38.
	DU C C，LIN L F.Application & research of bite type pipe joint［J］.Design & Manufacture of Diesel Engine，2015，21（4）：35⁃38.
12	闫洋洋.航空卡套式管接头密封特性与振动失效机理研究［D］.大连：大连理工大学，2019.
13	潘林.高压卡套式管接头泄漏故障诊断及加工工艺改进研究［D］.天津：河北工业大学，2017.
14	代正杰.渐进式卡套管接头泄漏机理分析及预防［J］.技术与市场，2014，21（5）：69.
	DAI Z J.Leakage mechanism analysis and prevention of progressive tube joint［J］.Technology and Market，2014，21（5）：69.
15	闫洋洋，庄保顺，高培鑫，等.航空管路接头密封特性及流体温度影响［J］.航空动力学报，2019，34（11）：2414⁃2422.
	YAN Y Y，ZHUANG B S，GAO P X，et al.Sealing characteristics of aviation pipeline fittings and influence of fluid temperature［J］.Journal of Aerospace Power，2019，34（11）：2414⁃2422.
16	张文华.不锈钢及其热处理［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2010.
17	张文博，李中宇，李晓旭，等.卡套接头弯曲疲劳试验中应变计位置对试验的影响［J］.管道技术与设备，2021（6）：41⁃43.
	ZHANG W B，LI Z Y，LI X X，et al.Influence of strain gauge position on flexure fatigue test of tube fittings［J］.Pipeline Technique and Equipment，2021（6）：41⁃43.
18	宋祎平，黄勤，刘正瑞.三环减速器的PATRAN⁃NASTRAN接触有限元分析探讨［J］.机械管理开发，2011（3）：34⁃35.
	SONG Y P，HUANG Q，LIU Z R.The contact finite element analysis of three⁃ring reducer with PATRAN⁃NASTRAN［J］.Mechanical Management and Development，2011（3）：34⁃35.
19	王恺.基于滑动元法的连续拉索滑移分析［J］.计算力学学报，2024，41（3）：519⁃524.
	WANG K.Analysis of continuous cable sliding based on sliding variable method［J］.Chinese Journal of Computational Mechanics，2024，41（3）：519⁃524.
20	苏志强，郑晓东，何龙龙.基于神经网络和遗传算法的电子设备结构优化［J］.舰船电子工程，2023，43（8）：231⁃235.
	SU Z Q，ZHENG X D，HE L L.Optimization of electronic equipment based on artificial neural network and genetic algorithm［J］.Ship Electronic Engineering，2023，43（8）：231⁃235.
21	梅瑞斌，包立，刘相华.塑性力学教学中Mises屈服准则几何轨迹证明［J］.力学与实践，2022，44（4）：955⁃959.
	MEI R B，BAO L，LIU X H.Proving of yield criterion of mises geometric shape in plastic mechanics teaching［J］.Mechanics in Engineering，2022，44（4）：955⁃959.
22	杨明，刘巨保，王田玉，等.井口无支撑段连续油管极限拉压载荷分析［J］.东北石油大学学报，2023，47（1）：116⁃126.
	YANG M，LIU J B，WANG T Y，et al.Analysis of ultimate tension and compression load of coiled tubing in unsupported section of wellhead［J］.Journal of Northeast Petroleum University，2023，47（1）：116⁃126.
23	杨世洲，李春福，赵强.六级分支井分岔装置的选材［J］.石油钻采工艺，2017，39（6）：730⁃736.
	YANG S Z，LI C F，ZHAO Q.Material selection of branching device in 6⁃level multilateral wells［J］.Oil Drilling & Production Technology，2017，39（6）：730⁃736.
24	艾池，刘亚珍，李玉伟，等.嫩二段标志层套管损坏区进水域影响因素分析［J］.特种油气藏，2015，22（6）：129⁃132.
	AI C，LIU Y Z，LI Y W，et al.Analysis on influential factors of water inflow domain in casing failure zone of Nen 2 member marker bed［J］.Special Oil & Gas Reservoirs，2015，22（6）：129⁃132.
25	衡波志，冷小磊.卡套式管接头性能分析［J］.机械制造与自动化，2016，45（4）：28⁃29.
	HENG B Z，LENG X L.Performance analysis of the bite type fittings［J］.Machine Building & Automation，2016，45（4）： 28⁃29.
26	邢淑清，白亮，麻永林，等.316不锈钢连铸工艺参数对结晶器内坯壳厚度影响模拟［J］.过程工程学报，2010，10（6）：1163⁃1167.
	XING S Q，BAI L，MA Y L，et al.Simulation on the effects of continuous casting process parameters on slab shell thickness of 316 stainless steel in mould［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2010，10（6）：1163⁃1167.
27	金颢，张俊斌，张伟国，等.特殊扣防腐油管在大位移气井作业中的应用［J］.石油天然气学报，2014（9）：182⁃188.
	JIN H，ZHANG J B，ZHANG W G，et al.Application of corrosion resistant oil⁃tube with special thread in the operation of extended reach gas wells［J］.Journal of Oil and Gas Technology，2014（9）：182⁃188.

[1]	Liu Meiling. The Analysis of Drilling Tool Failure Precaution in Gas Drilling [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2019, 39(2): 59-62.
[2]	Lan Xiaomin, Wang Quan, Wang Shengzhi. The Design of Parametric Library of Bolt Connecting Piece Based on AutoCAD Graph Block [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2018, 38(1): 60-65.
[3]	ZHAO Xin-hui, WANG Fu-wei. Less-Than-Truckload Transportation Logistics Information System Based on Java ME [J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2009, 29(1): 79-82.