[发明专利]一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法

权利要求书

1.一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)确定管件关键参数，包括管件的几何参数、材料参数以及工况参数；

2)确定金属扣压管件常见的失效模式，包括内芯和外套筒之间的剪切破坏以及内齿与塑料层的层间剥落；

3)根据步骤2)中的失效模式和步骤1)中的管件参数，结合力学理论失效公式，分别提出理论计算与校核的数值模型。

2.根据权利要求1所述的一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法，其特征在于，针对失效模式为内芯和外套筒之间的剪切破坏，提出如下理论计算与校核的数值模型：

3.1)计算三向应力分量：

根据三维应力状态分析，管件中一个单元体的受力主要分为：轴向应力σ_x、环向应力σ_θ、径向应力σ_r，对于受均匀内压的金属管件而言，在距中心轴长度为r处的环向应力和径向应力如下式(1)-(2)所示：

其中：r₁为内芯齿距中心距离,r₂为外套筒齿距中心距离,r₃为内芯和外套筒结合界面距中心距离,r₄为内芯内半径,Pn管件公称压力；代入r＝r₃即可得到在内芯和外套筒结合界面处的环向应力和径向应力；

同时可得到内压作用下的轴向应力如式(3)所示：

3.2)计算等效Mises应力：

根据第三强度理论，将步骤3.1)得到的三个应力统筹为等效Mises应力σ_e作为判别指标，如式(4)所示：

3.3)失效判别与校核：

将步骤3.2)计算所得等效应力与管件内外套筒界面连接强度σ_L进行比较，如式(5)所示：

其中：μ为安全系数，安全系数为在位工况和连接的复合管形式两个系数相乘所得；在位工况分为循环工况和稳定工况两种；复合管形式分为粘接型和非粘接型两种。

3.根据权利要求1所述的一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法，其特征在于，针对失效模式为内齿与塑料层的层间剥落，提出理论计算与校核的数值模型；

3.4)：计算单齿所能提供的轴向力：

齿形所能提供的轴向力分为摩擦力F₁和反作用力F₂两类，具体计算公式如式(6)-(7)所示：

F₂＝2πr₁H₁σ_y (7)

其中：f为管件与管材的摩擦系数，H₁为内芯齿深，L₁为内芯齿下宽，L₂为内芯齿上宽，σ_y为材料屈服强度；

同理可得外套筒齿对应的摩擦力F₃和反作用力F₄，如式(8)-(9)所示:

F₄＝2πr₂H₂σ_y (9)

其中：L3为外套筒齿下宽，L4为外套筒齿上宽；

3.5)计算在极限条件下所需的最大轴向力：

管材与管件连接的极限工况一般是爆破试验，要求达到3倍公称压力以上，那么在此条件下管件齿形所需提供的最大轴向力F₅可由式(10)所得：

3.6)齿形承载力校核：

结合步骤3.4)和3.5)所得，进行齿形结构承载力校核，如式(11)所示：

其中n₁为内芯所需最小齿数，n₂为外套筒所需最小齿数，μ安全系数，安全系数为在位工况和连接的复合管形式两个系数相乘所得；在位工况分为循环工况和稳定工况两种；复合管形式分为粘接型和非粘接型两种。