双闸板U型防喷器主壳体强度及可靠性分析

刘　庆

(中国石油大学胜利学院 机械与控制工程学院,山东 东营 257000)



双闸板U型防喷器主壳体强度及可靠性分析

刘庆

(中国石油大学胜利学院 机械与控制工程学院,山东 东营 257000)

[摘要]建立2FZ35-70双闸板U型防喷器主壳体三维模型,对主壳体模型进行合理的有限元建模,精确地划分整体网格以保证其计算精度。在额定工作压力和静水压试验两种工况下,依据强度准则以ANSYS软件为平台,对主壳体结构强度进行可靠性分析。

[关键词]双闸板U型防喷器;主壳体;有限元;强度计算;可靠性分析

随着人们对石油能源的需求量与日俱增,陆地上的石油天然气开采开始大量地向深井、超深井以及复杂地层进军,对钻采设备的可靠性要求也逐步提升。防喷器作为钻采设备中控制井下压力的关键部件,其重要性越来越被人们所重视[1-3]。对双闸板U型防喷器的强度分析是保证其工作可靠性的关键,而在保证使用条件的前提下,对结构进行优化,亦是倡导节能减排,提高产品技术含量的大势所趋。

1双闸板U型防喷器主壳体结构

2FZ35-70双闸板U型防喷器的设计和制造符合API Spec 16A和GB/T20174-2006《石油天然气工业钻井和采油设备 钻通设备》,并配备了各种尺寸的闸板。额定工作压力70 MPa(10 000 psi),静水压试验压力105 MPa(15 000 psi);液控压力8.5～10.5 MPa(1 200～1 500 psi),特殊条件下为20.7 MPa(3 000 psi);产品材料为60K,温度等级T-20:-29～121 ℃(-20～250 ℉)。主壳体为锻件,具有较好的强度和冲击韧性,避免铸造缺陷。具体结构如图1所示。

从图1中可以看出,主壳体结构特点:(1) 主壳体闸板腔室横截面由两段半圆弧和两条直线段组成,圆滑地过渡能尽可能消除应力集中,又不致给加工造成太大困难;(2) 闸板腔室底部开有朝井眼倾斜的斜面,不仅可以在闸板开合时清除泥砂,还能减小闸板运动阻力。

图1　2FZ35-70双闸板U型防喷器主壳体

2强度计算分析

2.1有限元建模

2FZ35-70双闸板U型防喷器主壳体内部比较复杂,自由划分网格较困难,即使自由划分成功,网格也不规整,影响计算速度和精度。为了缩小计算量,常规做法是将主壳体按轴对称或平面对称几何体来处理,一般取其1/4或1/2进行分析。这样,模型单元数大为降低,计算量有所减少。但考虑到主壳体内部液压油通道的存在,且该通道承受一定的油压,主壳体不能简单近似为轴对称或平面对称。

为保证合理的计算速度及精度,用SolidWorks进行简化建模。对主壳体内部以及液压油通道内部进行精确建模,而对上下法兰与壳体连接处的圆角进行简化处理。大量的计算和实验表明:该简化方法虽会导致计算结果应力集中,但仍远小于材料的屈服强度,因此,该处不是主壳体强度计算所考虑的主要部位。依此类推,将其他多处圆角进行简化处理。

将建好的实体模型导入到ANSYS中,对所关心的内部腔室线段进行精确划分,用lesize命令对线段所分的段数进行精确控制;对其他位置的线段进行单元尺寸的基本控制。划分完网格后,进行试算,观察云图的的变化,在几何形状圆滑的地方是否有应力或应变的突变,如果有则继续细化网格,重复此步骤直到取得理想效果,从而得到合理的网格模型。划分网格过程中可以充分利用ANSYS的APDL语言,使计算效率大大提高。划分完网格的有限元模型如图2所示。

图2　主壳体有限元模型

2.2强度校核准则

API Spec 16A规定,防喷器承压设备的设计计算有3种方法,应按其中的一种或多种方法进行设计,取实验应力分析以外的两种方法进行分析。

2.2.1ASME方法

可应用ASME《锅炉和压力容器规范》第Ⅷ卷第二册中附录4所叙述的设计方法。设计许用应力由以下准则限定:

式中,Sm为额定工作压力下的设计应力强度;St为静水试验压力下最大许用总主薄膜应力;Sy为规定的材料最小屈服强度。

2.2.2变形能量理论

变形能量理论方法可用于承压设备的设计计算。压力容器的基本壁厚尺寸可根据静水压试验压力下的三维复合应力确定,并应由以下准则限定:

Se=Sy.

式中,Se为按变形能量理论计算的最大等效许用应力;Sy为规定的材料最小屈服强度。

2.3求解计算

划分完网格的主壳体有限元模型,采用的单元为8节点solid45单元,由于单元数较多,节点数目庞大。为提高计算效率,选用预条件求解器(PCG),跟稀疏矩阵求解器(SPARSE)和波前求解器(FRONT)相比,它要求较小的硬盘空间,求解较大模型计算速度更快。对于较大的3D模型,PCG可以有效地对带有约束方程的矩阵进行求解。

依照最大剪应力理论,得到主壳体在额定工作压力69 MPa作用下的应力强度云图,最大应力值出现在孔内壁,其最大值近1.87×108MPa。基于无力矩理论,得到主壳体在静水压103 MPa作用下的薄膜应力云图,最大应力值出现在防喷器外壁,其最大值近1.6×107MPa。按变形能量理论,得到主壳体在静水压103 MPa作用下的等效应力云图,最大应力值仍然出现在孔内壁,其最大值近2.41×108MPa。

2.4计算结果分析

温度对金属材料的弹性模量影响不大,对金属材料的屈服强度影响较显著。查金属材料标准手册,常温、100、200 ℃金属材料的屈服强度近似是1、0.9、0.8的关系。闸板防喷器工作温度范围为-29～121 ℃,为保守计,取121 ℃时金属材料屈服强度为常温下的0.85倍,作为高温试验时的强度校核数值。闸板防喷器主壳体结构强度计算结果显示，额定压差下最大应力强度为280 MPa,小于121 ℃时材料最小屈服强度的2/3倍(292 MPa);静水压最大薄膜应力为425 MPa,小于常温下材料最小屈服强度的0.9倍(465 MPa),静水压最大等效应力为362 MPa,小于常温下材料最小屈服强度(517 MPa)。以上结果均符合强度校核准则的相应要求。

3可靠性分析

基于ANSYS结构可靠性分析的基本过程可以分为两步[4]:对分析对象成员进行参数化表示、初始赋值、构建有限元模型、加载、求解并使用“*GET”命令提取相应的计算结果,将值赋给目标对象参数;进入分析模块,指定上述所定义的分析文件、选择定义输入变量(分析对象成员)及它们之间的相关系数,定义各输入变量服从的分布类型,分布函数及其参数、指定分析工具和方法、执行分析循环,将分析结果以文件形式保存下来。

参考主壳体结构的强度校核准则作为失效模式,则功能函数可写作

(1)

各随机变量的统计特征如表2所示。

表2　随机变量的统计特征

在抽样次数足够大时,可以认为蒙塔卡罗法的结果是准确的[5]。应用蒙特卡罗方法进行10 000次计算,最终分析结果为:Z1<0的概率为1.661 6%,Z2<0的概率为1.281 3%,Z3<0的概率为0.630 8%。广义可靠度指标为

β=-Φ-1(Pf).

(2)

式中,Φ-1为标准正态分布函数的逆函数;Pf为失效概率。

查标准正态分布函数表得β1=2.129 4,β2=2.231 8,β3=2.494 5。

4结束语

通过合理的简化2FZ35-70双闸板U型防喷器主壳体有限元模型,在不影响精度的前提下,提高了计算效率。在计算过程中,将结构的多数圆角去除,致计算结果出现应力集中现象，但按实际情况,应力值必定有所降低。再者,计算选取的边界条件及材料性质均依照最危险工况进行设置,计算结果更为保守。2FZ35-70闸板防喷器主壳体静强度符合API 16A和ASME相关要求,且可靠度在可接受范围内,可作为以后结构进一步优化的参考依据。

[参考文献]

[1]沈伯卿,贾建贞,杨文冉,等.防喷器自动化试压系统设计与应用[J].石油矿场机械,2003,32(5):62- 63.

[2]肖力彤,宋振华,郑泳,等.Cameron结构的防喷器壳体有限元分析[J].石油矿场机械,2010(2):38- 40.

[3]杜现飞,王海文,王帅,等.深井压裂井下管柱力学分析及其应用[J].石油矿场机械,2008,37(8):28-33.

[4]赵涛,林青.可靠性工程基础[M].天津:天津大学出版社,1999:9.

[5]叶勇,郝艳华,张昌汉.基于ANSYS的结构可靠性分析[J].机械工程与自动化,2004(6):63- 65.

[责任编辑]李冬梅

[收稿日期]2016-01-10

[作者简介]刘庆(1982—),女,山东青州人,中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院讲师,主要从事机械设计及理论研究。

doi:10.3969/j.issn.1673-5935.2016.01.010

[中图分类号]TE921.5

[文献标识码]A

[文章编号]1673-5935(2016)01- 0034- 03