石油钻杆是石油天然气勘探与开采中的主要设备,其作用是传递扭矩和输送钻井液。钻杆通过钻杆接头首尾相连,接头上加工有内、外螺纹。在钻井过程中,钻杆接头长期受到拉、压、弯、扭、振动等循环载荷作用,由于其截面形式变化较大,在交变应力的持续作用下,容易产生应力集中并发生疲劳破坏。因此,国内、外都非常重视石油钻杆接头的疲劳性能研究。我国对石油钻杆产品的开发起步较晚,产品性能和质量与国外相比还有较大差距。深入研究钻杆接头疲劳失效的原因,并在此基础上,对其结构加以改进,具有重要的意义。本文在国内外研究的基础上,对石油钻杆接头的疲劳性能进行了深入研究,研究的主要内容如下。首先简单介绍了钻杆接头的基本疲劳理论,分析了钻杆接头结构与钻杆疲劳的关系。然后,利用有限元分析软件MSC.MARC建立了API接头有限元模型,分析了接头在上扣、拉伸、压缩及弯曲载荷作用下的应力分布规律,研究了API接头结构缺陷对接头疲劳强度的影响。最后,针对这些缺陷,从螺纹形式、加厚过渡段、接头整体等三个方面提出了结构改进方案,并根据加工条件,绘制了加工图纸。有限元对比分析结果表明,这些改进方案均不同程度地改善了螺纹及加厚过渡段的应力分布状况,降低了危险区域的应力集中,可以提高接头的抗扭性能及疲劳寿命。经过样品加工试验及现场应用,验证了这些改进方案的有效性,并创造了良好的经济效益。利用前文的研究结果,在对石油钻杆接头疲劳失效原因进行深入分析的基础上,设计开发了一种适合于钻探海上天然气井的钻杆接头,该接头应力分布合理、应力集中程度缓和,抗疲劳性能高于普通接头,同时,还具有气密封性能,可以满足高压天然气井的钻探需要。介绍了密封面角度、过盈量等关键参数的确定过程。接头样品的模拟上扣试验表明接头结构达到了设计使用要求,下一步将继续通过水压、气压试验、疲劳模拟试验进一步验证其密封性能和抗疲劳性能。