高压力等级水下防喷器应力分析方法探讨

祝传钰* 陈文科 徐立新 缪 宸 袁 远

（招商局海洋装备研究院有限公司）

0 引言

随着海洋能源开发逐步向深海发展，对钻井设备的要求也越来越高，水下防喷器及压力控制系统相关的设备压力等级也逐渐提高了。

因此，设计条件下的应力分析方法也在不断改变，如在较高的压力级别下，部分零件的材料已经进入塑性状态，线弹性分析方法无法准确体现设备真实的受力状态。由于组装部件的相互作用，应力分类法和API 16A 规范中的等效冯米塞斯等效应力在薄壁结构中的应用也有所不同。本文结合API 6A、API 16A、API6X 以及ASME VIII div.2 等标准，对井口设备不同压力等级及承压部件的分析方法进行了探讨。

1 井口设备的应力分析方法

API 16A 是钻通设备的标准，其中规定了井口、防喷器等钻通设备的设计方法，防喷器的受力分析也应该以API 16A 规范规定为准。

API 16A 规范对设备的强度分析没有给出特别具体的规定，由于API 在2014 年出版了API 6X《承压设备设计计算》，因此2017 年出版的第4 版API 16A规范中“承压部件的设计计算”部分改动较大，删除了具体的方案，仅规定承压部件的设计方法必须依据API 6X 的规定，并注明冯米塞斯等效应力允许使用。

API 6X 规范中的分析方法主要为两类：线性分析和非线性分析。线弹分析是基于材料的线性特性，且在工作的过程中材料不会发生屈服和塑性变形。API 6X 规范内容主要基于ASME 锅炉和压力容器规范第VIII 卷第2 部分，其中还包括了API 标准化委员会作出的对石油和天然气产品的进一步限制。 其包括用于弹性分析，弹塑性分析和有限元分析方法指导的封闭形式解决方案和方法。

1.1 线性分析方法

线性分析主要采用应力分类法计算承压部件在受力状态下的应力分量，进行计算和组合。 并且基于设计应力强度的倍数，根据使用的材料和应力类别，与每类应力的使用准则进行比较，判定是否合格。

API 6X 规范中的方法并不仅限于防喷器，从实际工作的角度来看，采用应力分类法时其结构要满足R/t ≥4（R 为粒，t 为厚度），也就是适用于薄壳部件，当R/t ≤4 时，应力分类法会得到较激进的结果，不能保证设备安全运行。而形状较为复杂、厚度较大的部件内部受力情况也更复杂，应力分类法的使用难度较大，且可能产生不确定的结果，因此推荐采用弹塑性分析方法或极限载荷法进行分析。

1.2 非线性分析方法

（1）极限载荷法

极限分析法通常假设材料的应力-应变曲线是在理想状态下获得的，并且该方法主要基于小量位移分析。其使用的应力 - 应变曲线具有双线性特点，当应力小于材料的屈服强度时，曲线的斜率等于材料弹性模量；当应力大于材料的屈服强度时，斜率接近于零，而零斜率可能导致大多数有限元计算出现问题。

随着载荷增加，当材料出现严重变形或模型发散时的载荷即为极限载荷。 根据最后收敛的有效载荷情况，实际额定载荷能力不应超过极限载荷的2/3。

（2）弹塑性分析法

弹塑性分析是一种结构分析方法，通过考虑曲线中的实际材料真实应力 - 曲线来计算给定载荷下结构的受力情况。由于考虑了材料的应变强化效应，这种方法比极限分析方法得到的结果更准确。材料应力 - 应变曲线可以通过实际材料测试数据获得，或者通过使用弹性模量的分析方法近似获得。

2 高压力等级水下防喷器应力分析方法探讨

2.1 弹性分析应力分类法的使用条件

高压力等级的水下防喷器也会存在受外压的情况。为了考虑最恶劣的情况，假设其在内部没有压力的情况下承受外部水压，且极限设计水深为3 000 m。根据有限元分析结果，设备该没有部件发生屈服状况，所有材料均处于弹性范围内，因此，海水静压的情况可以采用弹性方法进行研究，按API 16A 规范中的要求，可以采用冯米塞斯等效应力进行判断。

而例如液压缸这种薄壳圆筒形承压部件，其形状和结构与传统压力容器较为接近，按照ASME VIII div.2 标准的规定，只要其内外径之比满足要求，就可以采用应力分类法进行计算。由于液压缸同时受到螺栓预紧力等其他载荷的作用，采用冯米塞斯等效应力进行分析时，其边缘容易出现高应力区，应力分类法可以更好地反应其受力情况。根据不同的应力类别采用不同的判定准则，得到的结果才更合理准确。

而其他形状较为复杂的非圆筒和非球壳部件，以及内外径之比超过标准允许范围的设备，在弹性范围内仍建议采用冯米塞斯等效应力准则进行判定。

2.2 非线性分析方法的使用条件

非线性分析的2 种主要方法为极限载荷法和弹塑性方法。极限载荷法假设构件是由理想弹塑性材料制成的。在加载过程中，应力高的材料区域先进入塑性阶段，随着载荷不断增大，塑性阶段的材料区域不断增加，当载荷增大到一定程度时，材料结构变得不稳定，甚至失去承载能力，即使载荷不再增加，塑性变形区域仍在增加，该载荷即为极限载荷。

极限载荷的计算方法一般有3 种：塑性极限定理、试验法和弹塑性求极限载荷法。塑性极限定理一般用于简单结构的设备，目前工程中应用很少，大多用于理论研究；试验法在工程中比较常用，但是成本很高；弹塑性求极限载荷法是利用有限元进行求取载荷-应变曲线，也较为常用。

弹塑性方法计算总体载荷时采用的是实际的材料应力-应变曲线，而不是理想状态下的弹塑性材料模型。与弹性分析方法和极限载荷法中的弹塑性方法相比，其计算结果更贴近实际，对设备的应力和应变模拟更加准确。

高压力等级水下防喷器的承压部件形状和内部结构较为复杂，其受力情况也极为复杂。防喷器目前采用的材料大多是常用材料，其性能参数可以在制造厂中测得。在高压力等级防喷器的强度分析过程中，2 种方法都可以使用。

2.3 高压力等级防喷器部件应力分析方法探讨

压力容器大多为薄壳结构，常呈圆筒形或是球形，其应力基本上以膜应力为主，而防喷器的部件往往是不规则形状的结构，其部件受力后应力分布规律与其和其他部件的连接方式有很大关系。采用极限载荷分析的结果可以保证防喷器承压部件的使用安全，但是计算得到的位移并不真实；采用弹塑性分析方法得到的结果更能反映其真实的变形情况。另外防喷器的部件往往是由整锻件机加工而成，除了要保证防喷器在各种工作状态下安全运行外，优化减重也是设计时的重点考虑方向，弹塑性分析法可以准确预测设备的变形和应力情况，可为构件的设计方案提供参考。

3 结论

本文对高压力等级防喷器的应力分析方法进行了介绍，并结合实际设计经验，分析了各种方法在防喷器不同设计工况下的适用性。建议在静水外压工况下，材料没达到屈服点之前采用弹性分析，并采用冯米塞斯等效应力进行判定。薄壳部件的材料没达到屈服点之前，建议采用应力分类法分析，在设计条件下材料已经进入屈服阶段，则建议采用非线性分析方法，优先选择弹塑性方法分析整体强度，有利于对设计方案进行优化。