水下油管悬挂器贯穿液路测试工具有限元强度分析

孙传轩，张青锋，刘启蒙，万春燕，袁　洁

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)*



水下油管悬挂器贯穿液路测试工具有限元强度分析

孙传轩1，2，张青锋1，刘启蒙1，2，万春燕1，2，袁洁1，2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)*

摘要：贯穿液路测试工具是水下油管悬挂器工厂验收试验所需的配套工具之一。由于其工作时需承受高压，为保证性能安全，分析了该工具的关键承力件，并建立有限元模型。开展了3种承压工况下的模拟计算，得到连接螺钉和紧固套上的最大应力、应变值，并根据API RP 17G和API 6A标准，对测试工具的强度和可靠性进行评估。最终确定了不同液压载荷下可同时加压的液压接头数量及组合方式，为贯穿液路测试工具的设计开发和使用操作提供指导。

关键词：水下；油管悬挂器；测试工具；贯穿；液路；有限元分析

油管悬挂器是采油树的关键组成部分[1]，而贯穿液路测试工具是水下油管悬挂器的关键配套工具之一，主要用于水下油管悬挂器的工厂验收试验(FAT)，对油管悬挂器液压贯穿液路进行注液清洗和耐压试验。由于水下油管悬挂器的工作压力较高，而测试工具的工作压力一般要求达到试验对象的1.5倍[2-3]，因此，要求测试工具强度高、耐压性能可靠。

为了在理论上验证贯穿液路测试工具的结构完整性，采用有限元分析软件Abuqus对其关键零、部件进行了强度分析，分别在103.5 MPa(工具额定工作压力)和155.3 MPa(工具试验压力)2种工况压力下对测试工具的受力变形情况进行了建模计算。将强度分析结果与API相关标准中的判定准则进行比较，并提出了能够保证测试工具性能安全的正确的加压方式。

1贯穿液路测试工具结构及材料属性

1.1测试工具结构

贯穿液路测试工具结构如图1所示，主要包含8组驱动机构、紧固套和液压接头，4个连接螺钉，1个支撑架、固定板和试验基板等。液压接头由可水下插拔的公、母接头构成，接头在断开状态下均可实现自密封；驱动机构用于控制液压公、母接头的接合和断开；支撑架用于工具的贮放，并作为把手；固定板和紧固套是其他零部件装配的载体；试验基板是液压母接头的安装载体，并提供液压孔路；连接螺钉用于将测试工具安装到水下油管悬挂器或试验基板上。图2为液压公接头的密封直径，该直径所在截面为液压载荷作用的有效截面。

图1　贯穿液路测试工具结构模型

图2　液压公接头的密封直径

1.2主要材料属性

贯穿液路测试工具的主要零件材料属性如表1。在有限元建模过程中，除定义材料的线弹性力学性能外，还定义了材料塑性性能。假设材料为理想塑性，即材料不发生硬化[4]。

表1　测试工具主要零件材料属性

2关键承力件有限元模型建立

由于贯穿液路测试工具液压接头内的液压力主要由紧固套、固定板和连接螺钉传递，故主要针对以上承力件进行有限元建模分析。为提高计算效率，对以上承力件的外形结构进行了适当的简化，如忽略部分倒圆、倒角，将连接螺钉与垫圈组合为1个零件模型等。

2.1载荷与边界条件

2.1.1边界条件

1)固定板和连接螺钉。对连接螺钉底部的螺纹施加铰接(Pinned)边界条件，限制其平移自由度；在固定板与连接螺钉之间施加绑定(Tie)约束；在固定板与紧固套配合一侧的各圆孔中心位置创建载荷控制点，并将其与紧固套在固定板上的作用面耦合(Coupling)，如图3～4所示。

图3　固定板与连接螺钉间绑定(Tie)约束施加

图4　铰接(Pinned)边界条件和耦合

2)紧固套。对紧固套仅进行了155.3 MPa(工具试验压力)条件下的计算分析。紧固套上与固定板接触的表面耦合到创建的载荷控制点上；紧固套内螺纹表面施加铰接(Pinned)约束，如图5。

图5　紧固套边界条件及载荷施加

2.1.2载荷施加

1)紧固套。等效液压作用力加载到创建的载荷控制点上，如图5。

2)固定板和连接螺钉。①针对工具额定工作压力103.5 MPa，分别将等效液压作用力施加在所有8个液压接头装配位置和其中4个对连接螺钉强度影响较大的液压接头装配位置(参考点RP3、RP4、RP5、RP6处)，如图6～7所示。②针对工具试验压力155.3 MPa，将等效液压作用力施加在2个对连接螺钉强度影响较大的液压接头装配位置(参考点RP3、RP4处)，如图8。

图6　等效液压作用力的施加(8个液压接头)

图7　等效液压作用力的施加(4个液压接头)

图8　等效液压作用力的施加(2个液压接头)

2.1.3等效液压作用力计算

等效液压作用力为

Fe=pr×As

当测试工具在额定工作压力下：pr=103.5 MPa，As=91.05 mm2，Fe=9 423.7 N。

当测试工具在自身试验压力下：pr=155.4 MPa，As=91.05 mm2，Fe=14 140 N。

2.2单元类型

固定板采用8节点线性六面体单元减缩积分(C3D8R)进行网格划分，连接螺钉采用10节点二次四面体单元(C3D10)进行网格划分。紧固套采用10节点二次四面体单元(C3D10)进行网格划分。

3关键承力件应力和应变分析

3.1判定准则

3.1.1应变判定准则[5]

根据API RP 17G—2006 完井-修井立管系统设计和操作的推荐做法 D.2.4弹塑性有限元分析，应变判定准则为：

全局应变准则(最大主应变)：

εprin≤0.02

局部失效准则(当量塑性应变)：

εpeq≤min[0.1，0.5×(1-σy/σu]

式中：σy为设计温度下材料的设计屈服强度；σu为设计温度下材料的设计极限抗拉强度。

3.1.2应力判定准则[3]

根据API 6A标准20版中4.3.3.2节规定，有

式中：ST为最大许用拉伸应力；Sy为材料的最小屈服强度。

3.2固定板和连接螺钉应力应变分析

通过在3种不同承压工况下对固定板和连接螺钉进行模拟计算，得到其最大应力值和应变值，如表2所示。

工况Ⅰ中对8个液压接头均加压，工况Ⅱ中选取的4个液压接头位置如图7所示，工况Ⅲ中选取的2个液压接头位置如图8所示。工况Ⅱ、Ⅲ中接头选取的原则是：接头之间间距最小，且离工况Ⅰ分析结果中最大Mises应力值所在的连接螺钉(或与之位置对称的螺钉)最近，分析认为该分布位置为4个和2个接头组合的最危险位置。

表2　3种承压工况下固定板和连接螺钉的最大应力、应变值

工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中固定板和连接螺钉的Mises应力云图、最大主应变云图和当量塑性应变云图分别如图9～15所示。

图9　工况Ⅰ条件下Mises应力云图

图10　工况Ⅰ条件下最大主应变云图

图11　工况Ⅰ条件下当量塑性应变云图

图12　工况Ⅱ条件下Mises应力云图

图13　工况Ⅱ条件下最大主应变云图

图14　工况Ⅲ条件下Mises应力云图

图15　工况Ⅲ条件下最大主应变云图

鉴于工况Ⅰ的计算结果，依据2种不同的判定准则判定结果不同，为保证安全，确定在103.5 MPa额定工作压力下，最多同时对4个液压接头进行加压测试可满足3.1中的2种判定准则要求。根据表1中的材料属性可知，连接螺钉材料σs=720 MPa，较固定板小，故连接螺钉的受力最危险。据3.1中的应力判定准则，有

工况Ⅰ中液压载荷产生的最大Mises应力超出许用应力值，因此，认为该压力条件下，固定板和连接螺钉的受力不满足API 6A标准中的应力判定准则；而工况Ⅱ和Ⅲ中液压载荷产生的最大Mises应力均小于许用应力值，因此，认为满足API 6A标准中的应力接受准则。

据3.1中的应变判定准则，连接螺钉的最小抗拉强度为σy=860 MPa，故σy/σu=720/860=0.837，则Epeq≤[0.1，0.081 4]，取εpeq≤0.081 4。

工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中液压载荷产生的最大主应变均小于许用应变值0.02，工况Ⅰ中的最大当量塑性应变小于许用应变值0.081 4，工况Ⅱ、Ⅲ中，因固定板和连接螺钉所受应力均在弹性范围内，故当量塑性应变值均为0。因此，3种工况条件下，固定板和连接螺钉的受力均满足API RP 17G标准中的应变判定准则。

3.3紧固套应力应变分析

图16～17分别展示了在工具试验压力155.3 MPa条件下，紧固套上的Mises应力云图和最大主应变云图。

图16　紧固套Mises应力云图(155.3 MPa)

图17　紧固套最大主应变云图(155.3 MPa)

由图16可知：在该压力条件下，液压载荷产生的最大Mises应力为250.7 MPa，且位于紧固套法兰根部与侧向开口的交汇位置。根据表1中的材料属性可知，紧固套材料σs=518 MPa。据3.1中的应力判定准则，有

液压载荷产生的最大Mises应力小于许用应力值，因此，认为该压力条件下，紧固套的受力满足API 6A标准中的应力评定准则。

由图17可知：在该压力条件下，液压载荷产生的最大主应变约为0.001 2，且位于与最大Mises应力相同位置。据3.1中的应变判定准则，液压载荷产生的最大主应变小于许用应变值0.02，因此，认为该压力条件下，紧固套的受力满足API RP 17G标准中的应变判定准则。

由于该工况下，紧固套所受应力均在弹性范围内，因此，当量塑性应变值均为0。

4结论

1)当液压接头采用以下加压方式工作时，该测试工具性能是安全的。在103.5 MPa额定工作压力下，最多可同时对4个液压接头以任意组合方式进行加压；在155.3 MPa工具试验压力下，最多可同时对2个液压接头以任意组合方式进行加压。

2)在工具试验压力155.3 MPa条件下，紧固套的强度满足要求。

参考文献：

[1]韦卓，李昌亮，田红平，等.基于Abaqus的油管悬挂器锁紧机构接触分析 [J].石油机械，2012，40(6)：1-5.

[2]GB/T 21412.4—2008，水下井口装置和采油树设备[S].

[3]API 6A，Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment [S].

[4]Hibbitt，Karlsson & Sorensen，INC.ABAQUS/Standard 有限元软件入门指南——ABAQUS/CAE版[M].朱以文，蔡元奇译.武汉：武汉大学，2003：178-185.

[5]API RP 17G—2006，Recommended Practice for Completion/Workover Risers [S].

FEA of Penetrator Flowline Test Tool of Subsea Tubing Hanger

SUN Chuanxuan1，2，ZHANG Qingfeng1，LIU Qimeng1，2，WAN Chunyan1，2，YUAN Jie1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

Abstract：The penetrator flowline test tool is one of a complete set of tools needed in subsea tubing hanger’s FAT.Because of its need to bear high pressure at work，in order to ensure the safety of performance，the critical load bearing parts of the tool are analyzed and the finite element models are built.The simulation calculation under three kinds of pressure conditions has carried out，thus the max stress and strain values of the connecting screws and adapter sleeve are gotten.According to API RP 17G & API 6A standards，the strength and reliability of the test tool are assessed.Eventually，the number of hydraulic couplings and the type of combinations pressuring at the same time under different hydraulic loading are determined.These will provide some guidance for the development and operation of the Penetrator Flowline test tool.

Keywords：subsea；tubing hanger；test tool；penetrator；hydraulic flowline；FEA

中图分类号：TE952

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.010

作者简介：孙传轩(1983-)，男，山东莒县人，工程师，硕士，主要从事水下油气钻采设备的技术开发工作，E-mail：sunchuanxuan@163.com。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目“水下卧式采油树系统研制”(2012AA09A204)

收稿日期：2015-08-24

文章编号：1001-3482(2016)04-0037-06