SL170型旋转水龙头有限元分析及结构改进

刘志刚

SL170型旋转水龙头有限元分析及结构改进

刘志刚

（江苏如石机械有限公司，江苏如东226406）

为了研究SL170型旋转水龙头可能存在的结构安全问题，利用ANSYS Workbench软件对其进行了有限元分析，得到了试验载荷下的水龙头各部件的应力分布情况，根据API Spec 8C标准校核其强度。分析结果表明：水龙头的静强度符合规范要求。壳体和中心管部位出现了部分应力集中的现象，提环上部中截面应力水平较高，销轴截面剪切作用与压力耦合产生了应力分布不均。基于实际服役工况进行了疲劳寿命的预测，提出了结构优化思路，为此类水龙头的设计提供参考。

旋转水龙头；有限元模型；应力分布；疲劳寿命；优化设计

旋转水龙头是现在油田钻井的常规设备，它位于井架的最上部，并承受着钻具的重力。中心管和壳体部分是主要的承载部件，在服役过程中承受着复杂的载荷，其安全性将直接影响到钻井设备的正常使用。

对于此类水龙头的强度设计一般进行设计载荷试验，这种方法较为耗时耗力，且对于长期服役的设备来说，对其在额定载荷工况下的疲劳寿命难以给出有效的估计。有限元方法是进行油井工程设备设计的行之有效的方法，在强度设计、疲劳寿命分析等方面［1-4］能够给出较准确的结果。有限元法不仅分析成本低廉，而且能够根据应力分布结合强度规范对设备进行强度校核。但是，之前的研究多用来校核设备是否满足强度规范，很少对于设备的结构改进提出优化方案。

本文以SL170型旋转水龙头为研究对象，利用有限元软件对设计载荷作用下的水龙头各部件的应力分布进行了分析，同时基于有限元分析结果，结合疲劳分析理论，对结构进行了疲劳寿命估计，进而给出了结构优化的思路。

1　整体结构及受力

SL170型旋转水龙头由5个部件组成，如图1所示。

图1　水龙头有限元模型

水龙头工作时的转速为100 r／min，最大静载荷为1 700 k N，额定动载荷为1 300 k N，载荷波动系数为0．5，平均工作周期为10 d，1 a工作250 d。

在强度校核时，根据API Spec 8C［4］，在额定载荷小于1 334 k N时，应取安全系数为3．0，因此定义试验载荷为4 000 k N。

2　主要部件的模型建立及强度校核

利用Pro／E软件建立模型，将各零部件导入ANSYS Workbench，并定义接触关系，划分网格，形成了水龙头的有限元模型，如图1所示。模型共有约5．2万个节点，约2．8万个实体单元及约3 000个接触单元。模型中，壳体的材料为ZG42Cr1Mo合金钢，其他部件的材料均为35Cr Mo A合金钢，材料力学参数如表1所示。由于强度分析不涉及热力学、电学等物理量，故只分析其力学性能。

表1　材料属性

进行强度分析时，本文的工况设计如下：

1） 提环顶部加载4 000 k N的拉力。

2） 中心管底部采取固支边界条件。

3） 在中心管内侧加载35 MPa的静水压。

4） 忽略结构的重力载荷。

2．1 提环

提环作为主要的承载部件之一，其最大应力出现在加载的上部环形的下表面，如图2所示。由于提耳上作用的拉力使得提环上部截面处上下表面分别产生了拉、压应力，其中最大Von-Mises应力达到898 MPa，已接近35Cr Mo A的材料极限，但仍在安全范围以内。

图2　提环应力云图

2．2 壳体

壳体也是主要的承载部件，其应力分布如图3所示。最大应力出现在2只提耳与主体连接处，达到744 MPa，也接近了ZG42Cr1Mo的材料强度极限。这部分结构外形连接处结构尖锐，产生了部分应力集中的现象，这是在结构设计中需要避免的。

图3　壳体应力云图

2．3 销轴及中心管

销轴的应力分布如图4所示。由于提环和壳体之间的载荷传递主要由这部分承担，故在两者交界的截面处产生了较高的剪切及挤压应力的耦合作用，其最高应力水平并不是在截面的一整圈都存在，而是出现在某一角度范围内的位置，其它部位应力处于较低水平。而且该部件的最高Von-Mises应力为498 MPa，远小于材料的屈服强度，因此该部件完全符合强度要求。

图4　销轴应力云图

中心管上部不承载，而下部承受着拉力作用，其应力分布如图5所示。最大应力出现在上下部的连接面内侧，达到了835 MPa，也符合强度要求。这部分也是存在与壳体连接处共同的结构特点，因此也存在应力集中的现象。

图5　中心管应力云图

结合以上各部分，可以看出，在按安全系数3．0的试验载荷加载条件下，水龙头的主要承载部件的最大应力基本接近了材料的强度极限，仅销轴的最大应力远小于强度极限。因此，可以认为SL170型水龙头的静强度设计符合要求，且经济合理，销轴可以使用低强度材料制造以节约成本。

3　疲劳寿命分析

旋转的齿轮、受横向力转动的轴、循环拉压的杆件等结构在周期载荷作用下，内部会产生交变应力，虽然该交变应力的应力幅值低于材料的屈服极限，但是在长期服役后，结构也会出现萌生裂纹并扩展，最后突然断裂，这种现象称为疲劳失效。水龙头由于频繁加卸载以及更换，或由于服役环境复杂产生锈蚀等原因，造成结构应力发生变化，疲劳寿命随之而改变。

疲劳主要取决于材料的持久极限，持久极限通过S-N曲线判断。影响因素有构件外形、构件尺寸、表面粗糙度、构件的工作环境等。

对此模型进行分析时，按正常工作时的额定载荷1 300 k N进行加载，载荷波动系数为0．5，周期为10 d。考虑到矿场的恶劣环境，根据API RP 2 A，对于疲劳计算应该留出2倍的疲劳安全系数［1］，因此定义描述在役试件和光滑试件寿命关系的疲劳强度因子为0．5。

图6给出了水龙头整体疲劳寿命云图。从疲劳寿命图中可以看出，在额定载荷工况下，影响整体的寿命的薄弱之处在于提环顶部及提环与壳体连接处等，疲劳寿命约为266个循环，按周期10 d，每年工作250 d计算，大约为10 a，这与现役的SL170型水龙头的报废时间大体吻合。

图6　水龙头整体疲劳寿命云图

4　结构改进意见

根据有限元分析结果，为了延长使用寿命，应设法降低各部件的最大应力，可以针对以下几部分在条件允许的情况下进行适当的结构改进：

1） 壳体及中心管的外形应适当进行圆角处理，以减小应力集中。

2） 由于销轴的较大应力出现在接触的某一角度范围，因此可以在维护过程中进行适当旋转，避免同一截面位置一直处于高应力水平，有助于延长使用寿命。

3） 为保护提环顶部的大应力区，可在条件允许的情况下尽量增大吊钩与提环之间的接触面积。

5　结论

1） 本文使用ANSYSWorkbench软件对SL170型旋转水龙头进行了有限元分析，取得了试验工况下的水龙头各部件的应力分布情况，并预测了服役工况下的疲劳寿命。

2） 在试验载荷4 000 k N下，各部件的最大Von Mises应力接近了材料极限，强度满足要求。由于现场环境复杂，服役疲劳强度因子偏小，因此此水龙头的疲劳寿命低于设计寿命。

3） 本文的研究未考虑轴承及密封件等部件。今后的研究方向应从优化结构设计以减小应力集中，以及通过加强密封件等措施以提高疲劳强度因子，延长使用寿命等。

［1］ 吴铦敏，颜廷俊，王东，等．海上平台在役桁架式吊机疲劳寿命评估研究［J］．石油机械，2014，42（1）：66-69．

［2］ 冯加果，李新仲，谢彬，等．基于ANSYS的海洋平台局部构造疲劳寿命评估的网格精度和外推方法研究［J］．石油矿场机械，2011，40（1）：15-20．

［3］ 薛明晋，陈海林，夏美忠，等．SL225型水龙头提环的应力与变形有限元分析［J］．石油矿场机械，2009，38（3）：41-43．

［4］ 张永泽，梁政，蒋发光，等．复杂结构有限元分析强度判定方法［J］．石油矿场机械，2009，38（5）：5-8．

Finite Element Analysis and Structure Optimization of the SL170 Rotary Swivel

LIU Zhigang
（Jiangsu Rushi Machinery Co．，Ltd．，Rudong 226406，China）

Aiming at possible structural safety problem on SL 170 swivel，the finite element analysis of rotary swivel is established in ANSYS Workbench，the stress distribution of each components under test load are simulated，and structural strength checking based on API spec8C is also carried out．The results show that：The static strength design of SL170 swivel conforms to the intensity of specification．And the phenomenon of stress concentration appears at shell body and shaft portion．The stress level at upper middle cross-section of the bail is high．The coupling of shear and compressive load at cross section of the pin causes a non-uniform stress distribution．The fatigue life of the swivel is estimated based on the actual work condition，and the idea of optimization design is presented according to the analysis，which has some reference value in designing this class of swivels．

swivel；finite element model；stress distribution；fatigue life；optimization design

TE926．02

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．019

1001-3482（2015）02-0084-04

2014-06-18

刘志刚（1966-），男，江苏如东人，高级工程师，现从事石油井口机械化技术及管理工作。

2014-07-25

徐会娟（1976-），女，吉林德惠人，高级工程师，主要从事石油钻采设备的设计工作，E-mail：thsyhxm＠163．com。