Mechanical performance analysis and structural improvement of connection unions for high-pressure manifolds in oil and gas fracturing

HE Yue; CHEN Bo; TAN Shiwu; CHEN Tong; WANG Meiling

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.016

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Mechanical performance analysis and structural improvement of connection unions for high-pressure manifolds in oil and gas fracturing

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2026-06-16

- Mechanical performance analysis and structural improvement of connection unions for high-pressure manifolds in oil and gas fracturing
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 6, Pages: 150-158(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国石油集团西部钻探工程有限公司井下作业公司，克拉玛依 834000
  2.西南石油大学机电工程学院，成都 610500
- 作者简介：
  
  CHEN Tong, E-mail:1261620202@qq.com
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51974272)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.016
  CLC： TG31
- Received：18 October 2024，
  
  Revised：2024-11-07，
  
  Published：15 June 2026
- 稿件说明：
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何跃，陈博，谭世武，等. 油气压裂高压管汇连接由壬力学性能分析与结构改进［J］. 机械强度，2026，48（6）：150-158.

HE Yue，CHEN Bo，TAN Shiwu，et al. Mechanical performance analysis and structural improvement of connection unions for high-pressure manifolds in oil and gas fracturing［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：150-158.
何跃，陈博，谭世武，等. 油气压裂高压管汇连接由壬力学性能分析与结构改进［J］. 机械强度，2026，48（6）：150-158. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.016.

HE Yue，CHEN Bo，TAN Shiwu，et al. Mechanical performance analysis and structural improvement of connection unions for high-pressure manifolds in oil and gas fracturing［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：150-158. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.016.

摘要

目的

针对1502型油气压裂高压管汇连接由壬在现场高内压与强振动符合载荷下频繁发生疲劳断裂和刺漏失效、严重危害作业安全的问题，开展高内压与安装预紧力复合作用下的由壬力学性能仿真研究，以明确其结构薄弱部位，并提出新的结构优化改进方案。

方法

首先，以FIG.1502型连接由壬为对象，利用转矩法反求确定了其装配目标预紧力（200 kN），结合现场最大实际作业内压（90 MPa）与高强钢40CrNi2Mo材料参数，建立了考虑非线性滑动摩擦接触、忽略螺纹升角的二维轴对称有限元精细化力学仿真模型，运用双时间步长增量求解器模拟了装配预紧与高压作业的连续受力全过程；然后，基于危险截面应力错位分布原则，设计了螺纹与密封错位的新型错位由壬结构，通过将密封槽内径由101.5 mm缩减至90.3 mm以增强壁厚、有效螺纹牙数由6扣增至7扣、优化母由壬端部斜面角度至125°，实现了多参数结构改进；最后，开展了全尺寸有限元力学性能对比与新疆吉木萨尔油田现场工业试验验证。

结果

仿真结果表明，原结构连接由壬的第1扣螺纹槽根部存在严重的应力集中，最大等效应力达559.5 MPa，接近材料屈服极限，应力集中系数高达5.181，此为现场螺纹发生疲劳断裂的主导因素；密封槽圆角处最大应力为244.08 MPa。新设计的螺纹与密封错位结构成功将最大应力从螺纹根部转移至增厚后的密封槽圆角处，使得由壬整体最大等效应力大幅减小至175.94 MPa（减小68.6%），整体应力集中系数减小至2.199（减小了57.6%）；螺纹局部最大应力显著减小至165 MPa（减小了63.4%），各螺纹牙承载分布表现出高度的均匀性。现场试验结果表明，新型结构连接由壬在90 MPa最大压裂作业压力下连续稳定运行寿命突破460 h，比原来失效的旧由壬在相同工况下的疲劳寿命延长了近35%。

Abstract

Objective

To address the frequent fatigue fracture and corrosive leakage failures of 1502-type connection unions under coupled high internal pressure and intense vibration profiles during hydraulic fracturing operations

a high-fidelity mechanical simulation model was developed to extract the precise structural vulnerabilities and formulate an optimal geometric modifications.

Methods

Firstly

guided by a torque-to-preload conversion formulation

an initial structural preload of 200 kN was implemented in tandem with a maximum field operational internal pressure of 90 MPa. A two-dimensional axisymmetric non-linear finite element model incorporating multi-body sliding friction behaviors was constructed for the FIG.1502 union fabricated from high-strength 40CrNi2Mo steel

wherein a dual-time-step incremental solver was executed to fully replicate the physical sequence of assembly fastening followed by intense fluid loading. Then

based on the structural design philosophy of critical stress relocation

an innovative thread-to-seal misaligned configuration was developed to disengage the co-axial spatial path of the sealing groove and external threads. This design was tightly integrated with an inner diameter reduction from 101.5 mm to 90.3 mm for localized wall reinforcement

an expansion of effective thread counts to 7

and a customized 125° transition slope profile. Finally

full-scale comparative stress simulations and empirical industrial operation trials within the Jimsar oilfield were carried out for engineering validation.

Results

Numerical diagnostics indicate that the peak equivalent von-Mises stress of the original union aggregates at the root of the first thread groove

reaching 559.5 MPa with an extreme stress concentration factor of 5.181

which is the dominant factor leading to fatigue fracture of on-site threads

while the sealing fillet sustains a stress of 244.08 MPa. Implementing the thread-to-seal misalignment configuration effectively shifts the maximum loading burden to the reinforced sealing fillet

cutting the peak global stress down to 175.94 MPa (a 68.6% mitigation) and dropping the global stress concentration factor to 2.199 (a 57.6% reduction). Concurrently

the localized maximum thread stress drops to 165 MPa

yielding a highly uniform load distribution across all engaged thread teeth. Field deployment proofs confirm that the optimized connection union operates continuously for over 460 h under a peak pressure of 90 MPa without degradation

demonstrating a 35% improvement in fatigue life compared with the original failed old union.

关键词

Keywords

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