压缩天然气高压储气井局部结构强度分析及疲劳寿命评估

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(1. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070； 2.上海蓝滨石化设备有限责任公司, 上海 201518； 3.上海石油化工换热设备工程技术研究中心， 上海 201518；4.齐齐哈尔大学 机电工程学院， 黑龙江 齐齐哈尔 161006)

储气井多建在交通要道和居民区等人口密集的场所，一旦发生事故将直接危及人民的生命和财产安全[1-5]。储气井已被纳入特种设备安全监管体系，并按III类压力容器进行管理，所以其设计和制造应充分考虑各种失效模式并制定有效的预防措施。SY/T 6535—2002《高压气地下储气井》[6]中提出了疲劳循环次数要求、扭矩要求与密封形式，API SPEC 5B(第16版)[7]给出了储气井的井管与接箍之间、井筒与井口装置之间、井筒与井底装置之间的圆螺纹连接要求。

国内学者针对储气井展开了许多现场试验研究和数值模拟研究。宋成立等[8]针对套管与管箍螺纹连接特点，通过ANSYS建立接触单元模型，获得该部位的应力值，确定该部位的疲劳寿命。段志祥等[9]对井筒水泥固定前和固定后实施了应力测试，结果表明固井后的环向应力最多下降16%，与理论分析结果基本一致，为井筒设计和检验提供参考。傅伟等[10]通过施加循环压力，对储气井的抗疲劳性能进行试验测试。其他学者对储气井的筒体和螺纹进行了研究，这些研究为应用标准设计储气井提供了具体参考[11-14]。

目前关于储气井进排气接头、密封堵头等不连续危险部位的研究较少。这些部位局部薄膜应力较小但总体应力值却较高，容易发生疲劳破坏。文中结合地下储气井结构特性及工程要求，对某加气站压缩天然气(CNG)储气井进排气接头和密封堵头这2个结构不连续危险部位进行结构分析，并对最大应力点进行疲劳分析。

1 CGN高压储气井主要设计参数

某加气站CNG高压储气井总体结构见图1a。CNG储气井主要由套管、管箍、底部装置、进排气接头(图1b)、密封堵头(图1c)和上下法兰等部件组成， 其中套管尺寸为Ø244.48 mm×11.99 mm，深度约258 m。密封堵头与进排气接头的材料为35CrMoIII，其抗拉强度Rm为620 MPa, 下屈服强度ReL为552 MPa, 材料许用应力Sm取Rm/2.6和ReL/1.5 的最小值，最终Sm取238 MPa。地下水和有害气体对设备的外腐蚀不可忽略, 综合考虑, 储气井部件腐蚀裕量取1.0 mm。

图1 CNG高压储气井结构简图

2 CNG高压储气井局部结构有限元计算模型

2.1 密封堵头

密度堵头为轴对称结构，载荷加载与位移边界条件也为轴对称形式，在有限元模型中，建立轴对称平面力学模型，见图2。

图2 CNG高压储气井密封堵头力学模型

应用ANSYS软件对CNG高压储气井密封堵头建模，以锥螺纹和底部封头相连的接头为位移边界，在接头表面有Δx=Δy=Δz=0。采用8节点轴对称单元(PLANE183)进行网格划分，单元数为440，节点数为1 415。CNG高压储气井密封堵头网格划分及线性化路径见图3。

图3 CNG高压储气井密封堵头网格划分及线性化路径

图3中性化路径A-A从密封堵头应力强度最大节点处选择，选定云图中的密封堵头圆弧过渡区最大应力点，沿着壁厚方向的最短垂直距离设定应力线性化路径。

2.2 进排气接头

进排气接头的结构属于轴对称结构，载荷加载与位移边界条件也为轴对称形式，在有限元模型中，建立1/4立体力学模型，见图4。

应用ANSYS软件对CNG高压储气井进排气接头建模。进排气接头通过锥螺纹与上封头连接在局部柱坐标系下，约束接头下表面的轴向与环向位移，并对接头轴向横截面上施加对称约束。采用8节点六面体实体单元SOLID186进行网格划分，单元数量为16 435，节点数量为62 794。CNG高压储气井进排气接头网格划分及线性化路线见图5。

图5中线性化路径B-B在进排气接头应力强度最大节点处选择，选定云图中的进排气接头螺栓孔下边缘与内壁交点处的最大应力点，沿着壁厚方向的最短垂直距离设定应力线性化路径。

3 CNG高压储气井局部结构有限元计算结果分析

3.1 应力分析

3.1.1密封堵头

在密封堵头内表面施加内压pc=25 MPa，得到的设计工况下CNG高压储气井密封堵头应力分布云图见图6，密封堵头A-A截面的线性化应力分布见图7。

图6 CNG高压储气井密封堵头应力分布云图

图7 密封堵头A-A截面线性化应力分布

由图6和图7可看出，压力载荷作用下密封堵头应力最大点位于内壁圆滑过渡处，最大应力值为344.04 MPa，一次局部薄膜应力SⅡ=68.6 MPa， 一次应力+二次应力SⅣ=146.78 MPa。

3.1.2进排气接头

在进排气接头内表面施加内压pc=25 MPa，得到的设计工况下CNG高压储气井进排气接头应力分布云图见图8。取最大应力处的节点到外侧一节点为强度评定路径B-B，进排气接头B-B截面线性化应力分布见图9。

图8 CNG高压储气井进排气接头应力分布云图

图9 进排气接头B-B截面线性化应力分布

由图8和图9可以看出，压力载荷作用下进排气接头的应力最大点位于开孔与内壁交汇处，最大应力值为197.53 MPa。一次局部薄膜应力SⅡ=136.52 MPa，一次应力+二次应力SⅣ=177.83 MPa。

3.2 应力强度评定

从上述应力线性化的结果可以看出，线性化值相对较高处为应力集中导致，应力集中大多由于结构不连续变形协调产生。对于疲劳容器，在结构不连续处尽量要采取圆滑过渡，这样可以在一定程度上提高部件的使用寿命。

35CrMoIII锻件的许用应力Sm为238 MPa，根据JB/T 4732—1995(2005年确认)《钢制压力容器——分析设计标准》[15]的强度准则规定，一次局部薄膜应力应小于1.5Sm=357 MPa，一次应力+二次应力应小于3Sm=714 MPa。密封堵头和进排气接头强度评定结果见表1。

表1 密封堵头和进排气接头线性化及应力评定结果

4 CNG高压储气井疲劳寿命评估

疲劳破坏常发生在应力集中的位置，上述有限元计算表明，该CNG高压储气井的应力最大点位于密封堵头内壁圆滑过渡处，对该点进行疲劳分析。

已知该设备工作压力为5～20 MPa，即Δp=15 MPa。根据图7，p=25 MPa时，密封堵头的总应力最大值Smax为344.04 MPa。在仅施加压力载荷的情况下，密封堵头结构中各点处的应力值与所施加的压力值成线性关系，则在Δp=15 MPa时考察点的最大交变应力强度幅Salt=0.5SmaxΔp/p=103.212 MPa。按JB 4732—1995附录C中图C-1查到的弹性模量E=2.1×105对Salt进行修正，温度修正后的交变应力强度幅Salt′=SaltE/Et=106.248 MPa, 应用JB 4732—1995中表C-1中公式计算可得允许循环次数N1=1.81×105，此值大于储气井的设计循环次数n1=2.5×104，因此可判断储气井疲劳校核合格。

5 结语

对CNG高压储气井密封堵头和进排气接头进行了有限元应力分析和应力强度评定。分析结果表明，储气井不连续结构部位的局部薄膜应力很小，但总应力却比较高，应在设计时予以充分考虑。有限元分析可减少疲劳容器设计的盲目性，利于保证设备安全性的同时又可节约材料。本文分析结果可为后续储气井的设计、制造及使用提供参考。