基于金属损失的闸板防喷器结构强度仿真研究

俞嘉敏 陈文斌 赵琪月 徐贵凯 郭萌梦

（1、川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉618300 2、四川宏大安全技术服务有限公司，四川 广汉618300）

1 概述

闸板防喷器是油气资源开发过程中平衡控制地层压力、防止井喷事故关键设备之一。壳体是闸板防喷器的主要承压部件，但闸板防喷器的壳体结构较为复杂，结构尺寸变化较多，易出现应力集中现象[1]。当壳体含有初始缺陷时：在高压冲击载荷作用下，防喷器壳体的结构强度会明显降低，缺陷附近及某些结构尺寸变化处会出现较为严重应力集中现象；且快速关井时产生的高压冲击波在衰减过程中，仍会对闸板防喷器的壳体进行反复冲击，使其出现疲劳缺陷，甚至出现脆性断裂，使防喷器的疲劳使用寿命大幅度降低[2]。因此对含有初始缺陷的闸板放喷壳体进行结构强度与疲劳寿命分析具有积极意义。

国内外的研究人员对闸板防喷器的壳体受力情况进行了大量研究：袁建华[3]对防喷器壳体裂纹缺陷进行了研究，通过有限元分析的方法确定了热裂、冷裂、应力腐蚀破裂及机械疲劳断裂四种缺陷类型，并进行了缺陷权重计算；张川[4]对无侧门螺栓闸板防喷器壳体进行了有限元分析后发现，无侧门螺栓时闸板腔应力分布较为均匀；张士超等[5]采用了XFEM 的方法针对水下防喷器裂纹扩展进行了模拟，总结出裂纹扩展的规律；吴奇兵等[6]根据材料S-N 曲线，应用Pair 公式对水下防喷器的疲劳寿命进行了分析。因此，防喷器的使用寿命以及承载能力对防喷器的安全性评价起到重要作用。

综上所述，对闸板防喷器壳体应力分布的规律的研究已经较为成熟，但对含缺陷闸板防喷器的壳体结构强度的分析较少。因此，作者结合前人的研究基础，在额定工况及静水压工况下对含缺陷闸板防喷器进行有限元分析，研究其结构强度及疲劳寿命。

2 基于金属损失的闸板防喷器有限元模型

防喷器工作原理及特性导致其工作过程中容易发生腐蚀现象，腐蚀现象大部分为腐蚀坑，在2FZ35-70 双闸板防喷器通径孔壁上预制不同规格的腐蚀坑，腐蚀缺陷用半球形结构模拟，并根据防喷器的安装要求对其上下两个安装面进行三个平动自由度的约束，腐蚀坑位置及壳体的压力和约束如图1 所示。为了进行结构应力应变分析，因此对闸板防喷器各个零部件进行网格离散工作，本计算采用ABAQUS 有限元分析，其单元类型为C3D10M。

图1 闸板防喷器壳体预制腐蚀坑位置及有限元模型

3 基于金属损失的闸板防喷器结构强度仿真结果

3.1 含缺陷闸板防喷器应力计算结果

图2 为防喷器液压腔在带有腐蚀坑的情况下所施加压力为70MPa 和105MPa 并根据此工作压力和边界条件进行应力应变分析的结果。从图中可以看出，当腐蚀坑直径在20mm 以内，球形缺陷应力主要是应力集中效应产生，当直径大于20mm 以后，由于缺陷增大导致壳体结构局部刚度发生变化。随着腐蚀坑直径的增加，应力集中的程度降低，防喷器壳体在井内流体腐蚀液中的腐蚀疲劳起源于试样表面的点蚀坑，在应力作用下，点蚀坑由于应力集中，萌生出裂纹，裂纹在应力和腐蚀性液体的共同作用下不断加深、增多，直至断裂。

3.2 含缺陷闸板防喷器疲劳寿命计算结果

当引入缺陷腐蚀坑以后，缺陷处的所有应力在正常工作状态下均超过材料的屈服强度，因此带有缺陷的结构需要计算疲劳寿命，不同压力条件下缺陷闸板防喷器壳体疲劳寿命计算结果如图3 所示。从图4（a）中可以看出，在相同工况条件下，随着腐蚀坑直径的增大，防喷器壳体的疲劳寿命先下降后升高，在直径5mm 至直径20mm 处下降最为明显，其中在直径20mm 处疲劳寿命最低，20mm 是应力集中与局部刚度的转换临界点，随后疲劳寿命又增大，由此可见，当腐蚀坑直径达到20mm 时需进行维修，否则将会影响防喷器的安全使用。所以在防喷器实际的使用过程中，应注意尽量降低应力集中的程度。从图4（b）中可以看出，在相同工况条件下，随着腐蚀坑直径的增大，防喷器壳体的疲劳寿命先直线下降，短期内会发生疲劳断裂现象，尤其是腐蚀坑直径大于10mm 时，壳体疲劳寿命不足以保障防喷器的安全使用。

图2 带缺陷闸板防喷器壳体腐蚀坑应力结果

图3 带缺陷闸板防喷器壳体疲劳寿命结果

图4 带缺陷闸板防喷器壳体疲劳寿命和腐蚀坑直径的关系

4 结论

4.1 当液压油腔均为70MPa 压力时，壳体缺陷处应力超过材料的屈服强度，需要进行疲劳寿命计算；当缺陷直径在20mm时，寿命最低，因此防喷器正常工作时，为了确保结构可靠，缺陷直径在20mm 以内可以暂不修复，如果缺陷直径超过20mm，则必须修复，否者会造成壳体产生疲劳裂纹，给防喷器的安全使用造成隐患。

4.2 当液压油腔均为105MPa 压力时，此时压力较高，一旦出现缺陷，则在此载荷作用下，壳体的疲劳寿命将会随着腐蚀坑直径的增加而大幅度下降，短期内会发生疲劳断裂现象，因此在压力105MPa 时，不允许出现缺陷，一旦出现后，必须进行修复。