XSL450型石油钻机旋扣水龙头壳体有限元分析

马世榜，黄荣杰，冯庆东，张林海

(1.南阳师范学院 机电工程学院，河南 南阳 473061；2.南阳理工学院 机械与汽车工程学院，河南 南阳 473004；3.南阳二机石油装备(集团)有限公司，河南 南阳 473006)*



XSL450型石油钻机旋扣水龙头壳体有限元分析

马世榜1，黄荣杰1，冯庆东2，3，张林海2

(1.南阳师范学院 机电工程学院，河南 南阳 473061；2.南阳理工学院 机械与汽车工程学院，河南 南阳 473004；3.南阳二机石油装备(集团)有限公司，河南 南阳 473006)*

摘要：为保证石油钻机旋扣水龙头壳体的质量及安全，提高设计效率，通过SolidWorks软件建立了XSL450型石油钻机旋扣水龙头壳体的三维实体模型，针对额定载荷和2.25倍额定载荷2种工况下，运用ANSYS有限元分析软件，分别计算了壳体在额定载荷和超负荷条件下的应力状况，分析了壳体的应力分布规律。并根据API Spec 8C规范要求设置危险下限和安全上限，显示了2种工况下壳体的危险区域和安全区域，结果显示壳体是安全的。提出了改进和优化措施，为XSL450型石油钻机旋扣水龙头壳体的安全设计和结构优化提供依据。

关键词：旋扣水龙头；壳体；有限元模型；应力分析

水龙头是石油钻机的关键部件，它既要和上部的游车大钩保持相对静止状态，又要能带动与之下部相连的钻杆实现旋转运动。在正常工作状态下，其下部悬挂钻柱，内部输送高压钻井液，受力情况非常复杂，其工作性能的好坏直接影响整个钻机的安全性能、钻井效率、钻井质量和钻井成本[1]。水龙头主要由旋转部分和固定部分等组成。旋转部分由中心管等组成；固定部分由壳体、上盖、下盖、鹅颈管、提环和提环销等组成。其中，壳体是承载中心管的重要零件，其通过与提环连接实现水龙头与游车大钩的连接，承担着自重以及钻杆工作载荷，要求必须承载能力强，安全可靠。

水龙头壳体形状结构复杂，截面变化大，受力状况复杂，具有几何非线性和较大的局部应力集中，难以用解析方法进行设计计算，在设计时一般进行设计载荷试验的方法，但这种方法较为耗时耗力。有限元分析方法是石油装备设计分析的有效方法，在强度设计分析等方面[2-10]能够给出较准确的结果。因此，本文通过对水龙头壳体进行有限元计算和分析，为壳体的设计及结构优化提供理论依据。

1概述

XSL450型旋扣水龙头壳体的产品结构形式是按南阳二机石油装备(集团)有限公司产品系列形式，产品的设计计算按照API Spec 8C—2012《钻井和采油提升设备规范》和GB/T 19190《石油天然气工业 钻井和采油提升设备》要求。壳体结构比较复杂，由整体铸造而成，然后进行调质处理和表面处理，提高其强度和韧性。壳体的工作温度和最低设计温度均为-20 ℃，最终热处理后的力学性能按照ASTM A370《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》进行试验。壳体与其他部件的连接部分符合SY/T 5288—2000《钻采提升设备主要连接尺寸》规定。

南阳二机集团制造的XSL450型旋扣水龙头壳体的材质为ZG28CrNiMoA，按照API Spec 8C规范规定，该材料的力学性能参数如表1所示。

表1　ZG28CrNiMoA的力学性能参数

2有限元建模和加载

根据产品要求性能及功能要求，利用SolidWorks软件建立XSL450型旋扣水龙头壳体整体三维实体模型。考虑到壳体形状极不规则，截面变化复杂，局部细节会影响到计算结果精度，对倒角等部分部位进行简化处理。按照壳体的设计尺寸，建立XSL450旋扣水龙头壳体的有限元分析模型，如图1所示。为保证壳体的产品质量及工作安全，分别计算额定载荷和2.25倍额定载荷超负荷条件下壳体的应力，并对其强度进行校核。

XSL450型旋扣水龙头壳体载荷主要是通过吊耳进行固定支撑，下部通过圆筒肩部承载。根据材料的试验数据，采用理想弹塑性材料的本构关系，建立XSL450型旋扣水龙头壳体的有限元分析模型加载方式，忽略了壳体材料的强化效应，计算结果偏于安全。加载时认为载荷恒定，忽略水龙头在游动中的自重和振动因素。利用建立的有限元模型，运用ANSYS有限元分析软件，分别计算分析壳体在额定载荷和超负荷条件下的应力分布。壳体形状复杂，几何非线性对其整体应力影响较大，在截面突变处具有较大的应力集中，应重点分析。

图1　XSL450型旋扣水龙头壳体的有限元模型

3额定载荷工况下有限元分析

额定载荷(4 500 kN)下，XSL450型旋扣水龙头壳体的Mises应力云图如图2所示。由图2可以看出：最大应力值为408.28 MPa，小于API规范中材料的屈服极限520 MPa，远小于材料的抗拉强度690 MPa，说明XSL450型旋扣水龙头壳体在额定载荷下整体处于弹性状态。壳体的危险薄弱环节出现在吊耳部位。

将壳体的圆筒肩部和2个耳部应力局部放大，如图3所示，可以看出整体上应力沿圆筒肩部和耳部所在的公共截面上较为均匀的分布，局部应力最大应力作用面积小，深度较浅，且小于屈服极限，说明壳体额定外载荷作用下受力整体比较均匀，安全余量是足够的。

设定危险下限区域应力显示值，去掉吊耳部位较大危险应力区域后，剩余部分的应力云图如图4所示，可以看出：该部分较大应力仍出现在吊耳部位附近，最大应力值为362.9 MPa，远小于材料的屈服极限。其余部位的应力值均很小，说明壳体整体处于安全范围内，在额定工况条件下壳体的安全余量足够。

图2　额定载荷下壳体的Mises应力云图

图3　额定载荷下壳体危险区域的Mises应力云图

图4　额定载荷下壳体设定危险下

42.25倍额定载荷工况下有限元分析

在2.25倍额定载荷超负荷(10 125 kN)工况条件下XSL450型旋扣水龙头壳体的Mises应力云图如图5所示。由图5可以看出：在2.25倍额定载荷的超负荷条件下，壳体整体应力极值位置出现在两耳部内侧，最大应力值为504.81 MPa，小于材料的屈服极限520 MPa，远小于材料的抗拉强度690 MPa，此处应力局部放大图如图6所示。由图6可以看出：最大应力主要集中在圆筒肩部，极大值所在区域面积较小，所占比例很小且深度很浅，说明壳体在2.25倍额定外载荷作用下整体受力仍然比较均匀，安全余量是足够的。

图5　2.25倍额定载荷下壳体的Mises应力云图

图6　2.25倍额定载荷下壳体危险区域的Mises应力云图

设定危险下限区域应力显示值，去掉吊耳部位较大危险应力区域后，剩余部分的应力云图如图7所示，可以看出：最大应力小于材料的屈服极限520 MPa，而且应力分布较为均匀，说明壳体在2.25倍额定载荷超负荷工况下的安全余量是足够的。

5危险区域和安全区域的应力显示

按照API Spec 8C规范要求，有限元计算结果需清晰显示在额定载荷下，构件危险区域和安全区域的应力分布情况。可按材料的屈服极限比安全系

图7　2.25倍额定载荷下壳体设定危险

数比1.33(σs/s/1.33)设置危险区域下限值，按材料的屈服极限比安全系数比10(σs/s/10)设置安全区域的上限值。壳体材料ZG28CrNiMoA满足API Spec 8C规范要求的屈服极限为520 MPa，则其危险下限值为σs/s/1.33=520/2.25/1.33=173.8 MPa，安全上限值为σs/s/10=520/2.25/10=23.1 MPa。

按照173.8 MPa的下限值和23.1 MPa上限值分别进行设置并计算，其应力分布情况分别如图8～9所示。

图8　额定载荷壳体设定危险下限值的Mises应力云图

图9　额定载荷壳体设定安全应力上限的Mises应力云图

由图8可以看出：壳体大于173.8 MPa的危险区域出现在吊耳部提环销孔下半部分，所占区域均较小且深度很浅。由图9可以看出：壳体小于23.1 MPa的安全区域主要分布于外侧耳架、背部耳槽及筒体部分区域。说明壳体在额定载荷下整体处于较为安全的工作状态，可以再提高危险部位的强度和表面硬度，优化安全区域的结构设计，以使提环应力分布更加均匀，进一步提高承载能力和减少整体质量。

6结论

1)在额定载荷下，壳体上最大Mises等效应力远小于材料的屈服极限，壳体处于弹性应力状态。壳体整体受力比较均匀地分布在外径装配推力轴承的轴圆筒肩部位，最危险区域出现在吊耳局部，所受应力沿吊耳部位提环销孔外径轴肩圆周均匀分布，具有足够的安全余量。

2)在2.25倍额定载荷的超负荷加载条件下，计算显示壳体等效应力极大值仍然位于吊耳部处，但等效应力仍然没有超出材料的屈服极限，有较足的安全余量。分析表明2.25倍额定载荷是检验壳体承载能力的合理参数。

3)由于实际生产中，壳体材料的实际屈服极限高于API Spec 8C规范要求的值，并且计算中未考虑轴向推力轴承对壳体材料的硬化效应，故计算结果偏于安全。

4)可以提高壳体吊耳部提环销孔等部位的强度和表面硬度，对吊耳等部位进行结构优化，减少体积及质量，进一步提高强度和安全性。

参考文献：

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[4]余华俐，许敬方，刘彦国.基于ANSYS的石油钻采水龙头模态分析[J].制造业自动化，2009，31(1)：26-28.

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[9]余华俐，许敬方，刘彦国.基于ANSYS的石油钻采水龙头模态分析[J].制造业自动化，2009，31(1)：26-28.

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Finite Element Analysis of XSL450 Rotary Swivel Shell of Oil Drilling Rig

MA Shibang1，HUANG Rongjie1，FENG Qingdong2，3，ZHANG Linhai2

(1.SchoolofElectromechanicEngineering，NanyangNormalUniversity，Nanyang473061，China；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，NanyangInstituteofTechnology，Nanyang473004，China；3.RGPetro-Machinery(Group)Co.，Ltd.，Nanyang473006，China)

Abstract：To ensure XSL450 rotary swivel shell of oil drilling rig quality and safety，to improve the efficiency of design，the three-dimensional entity model of XSL450 rotary swivel shell of oil drilling rig was built with SolidWorks software.In the two kinds of rated load and 2.25 times rated load working conditions，the stress of XSL450 rotary swivel shell working with rated load or overload rated load was calculated by using ANSYS finite element analysis software.The stress distributing rule of shell was analyzed.According to API Spec 8C specification requirements，the lower limit and upper limit of safety stress were set in above two kinds of working conditions，the stress of danger zone and safe zone were showed，the results shows that the XLS 450 rotary swivel shell was safe under rated load or 2.25 times rated load working conditions.The measures of improvement and optimization were put forward.This provides the basis for safety design and structure optimization of XSL450 rotary swivel shell of oil drilling rig.

Keywords：rotary swivel；shell；finite element model；stress analysis

中图分类号：TE923

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.011

作者简介：马世榜(1978-)，男，河南唐河人，讲师，博士，主要从事机电一体化技术、石油装备技术及应用等方面的研究，E-mail：mshibang@126.com。

基金项目：河南省科技攻关项目(122102210403)；南阳师范学院博士科研专项项目(ZX2014092)

收稿日期：2015-10-22

文章编号：1001-3482(2016)04-0043-04