基于ABAQUS的双金属复合材料密封结构承压性能研究

2021-03-26张彩莹李贤坤路子正

石油矿场机械 2021年2期

张彩莹，李贤坤，王川，罗强，杨虎，路子正

(1.中油国家油气钻井装备研究中心有限公司，陕西宝鸡 721002；2.西南石油大学，成都 610500； 3.西南大学，重庆 400715)

石油钻采领域中，因地层压力的不确定性，井口、井控类设备均设计为压力容器，部分特殊工况零部件为高压或超高压压力容器。地层流体中的H2S对于石油钻采设备不仅具有强烈的腐蚀作用，还可能导致设备出现硫化氢应力开裂(SSC)，影响设备安全。在工程应用中，常采用低合金钢表面堆焊耐腐蚀材料的方法来预防H2S对设备安全和寿命的影响[1-3]。

在压力容器的孔、轴配合密封结构中，通常在孔或轴的径向表面设计密封沟槽，安装密封圈。这使得装配结构截面不再是简单的圆筒形，而是具备复杂形状的截面，采用传统的厚壁圆筒理论，难以考虑到沟槽对部件结构应力分布的影响。为预防H2S对设备安全和寿命影响而进行的表面堆焊耐蚀合金工艺，使得同一截面包含2种不同力学性能的材料，给分析带来更大的困难。

采用数值解法的有限元软件可以较为准确的模拟复杂结构截面在压力作用下的响应问题。对于双金属堆焊的复杂结构，可采用基于ABAQUS的Cohesive接触模型进行模拟。分析中还应考虑超高压外部载荷导致的材料可能出现屈服的问题，应引进弹-塑性非线性材料模型进行分析。

1 材料模型

压力容器设计中使用的高强度低合金钢属于弹-塑性材料，具有明显的屈服-流动特点。通过材料力学性能试验，可获得屈服强度、抗拉强度、拉断伸长率等指标。在有限元软件ABAQUS中，采用双线性塑性材料模型，通过这些设计指标的变换，可以给出材料的力学性能曲线。需要注意的是，材料试验得出的是名义抗拉强度和名义变形，在ABAQUS中需要输入的为真实应力和塑性应变。真实应力和塑性应变的推导方法如下[4]。

屈服前，试棒长度l，截面积A未发生变化

σnom=σreal；εnom=εreal

材料屈服后进入塑性阶段

σnom≠σreal；εnom≠εreal。σnom=Rm；εnom=(l-l0)/l0

拉断点处

σreal=σr=σnom(1+εnom)

则材料的真实应力和塑性应变为

σr=Rm(1+εnom)

2 接触模型

堆焊金属层与本体之间为冶金级结合，堆焊层与基体金属具有不同的力学性能。分别建立不同的截面，赋予不同的材料属性来模拟堆焊层和基体金属的弹塑性力学行为。在二者界面位置，假设二者为粘接，使用Cohesive接触模型模拟[5]。

ABAQUS中的粘接模型有Cohesive单元和Cohesive接触两种设置形式。Cohesive接触模拟可以模拟层间很薄的粘合面或界面力学行为，Cohesive单元可以模拟一定厚度的粘胶层或其他粘合材料力学行为，也可以将Cohesive单元厚度设置为0，其效果与Cohesive接触模型相同。Cohesive模型基本假定是粘合界面满足牵引-分离准则，通常假定粘接行为是线性变化的，一旦达到破坏条件，材料会按照用户定义的损伤演化模型逐步失效破坏。

三维Cohesive单元本构模型可由下式表达[6-7]。

式中：n为法向即厚度方向；s、t为垂直于厚度的另外2个方向。当指定采用类型为traction而非coupled traction时，3个方向刚度非耦合，则除对角线上的Enn、Ess、Ett外，其余元素全部为0。

实际上，Cohesive单元可看作是一种准二维单元，可以将它理解为隔开一定厚度的2个面，这2个面分别和其它实体单元相连，Cohesive单元只考虑面外的力，该面外力可以被分解为法向的正应力，以及第1、第2方向的切应力。

3 算例分析

3.1 结构和材料及接触模型

在海洋钻井隔水管的节流和压井管线的插头设计中[8-11]，为保证接头表面能够长期保持满足密封要求的尺寸精度，提高部件寿命，母接头本体采用4130锻件，表面堆焊Inconel 625耐腐蚀合金。

海洋钻井隔水管的节流和压井管线的插接接头结构形式如图1，包括公接头、表面堆焊耐蚀合金的母接头、组合密封圈等。从设计结构中可以看出，密封沟槽截面位置属于承压结构本体薄弱点。

图1 插接头连接部位结构示意

考虑到公接头与母接头的装配关系和可能存在的影响，建立包含公、母接头装配的轴对称有限元模型，公、母头装配间隙设计为径向0.3 mm。堆焊层和母头本体作为单独的体分别建模。为避免管端约束位置对分析部位存在的边界影响，分析的管段要求足够长，建立的有限元模型如图2。

图2 密封接头有限元模型

Inconel 625合金为镍铬钼为主要成分的奥氏体超耐热合金材料，具有优良的抗氧化和耐腐蚀性能。用于表面堆焊的焊材AWS标号为E(R)NiCrMo-3，成分优于板、带材[1]。计算中采用板、带材状态的Inconel 625合金力学性能进行分析。基体材料和堆焊材料力学性能如表1。2种材料的双线性塑性公式输入参数如表2。

表1 基体材料和堆焊材料力学性能

表2 ABAQUS中两种材料属性定义值

粘接的法向和切向弹性模量与普通钢材一致。设置粘接极限破坏强度时考察可能出现的层间开裂行为，假设法向粘接强度略低于Inconel 625材料的屈服强度，切向粘接强度为法向强度的1/2，其数值如表3。

表3 粘接强度参数

3.2 载荷与边界条件

产品设计中，为确保密封可靠性，在母接头部位设计了2道密封沟槽，实际使用过程中起作用的主要是靠近内侧的1道密封，密封圈依靠沟槽底部平台进行支撑，密封沟槽顶面、底面、侧面均承受内压作用。考虑到可能发生的首道密封沟槽意外泄漏问题，对两道密封沟槽同时承受腔体内压也进行了分析计算。两端的管端约束为轴向位移和转动位移，放开径向自由度。

首先加载1.5倍额定压力进行试验，第2步是进行卸载，如表4。

表4 载荷步载荷参数

3.3 有限元分析

有限元分析[12-13]得到的Von Mises等效应力分布云图如图3所示。由图3可以看出，堆焊Inconel 625合金的密封沟槽在试验压力作用下承压部位大部分已经屈服，Inconel 625合金和基体材料4130之间出现了明显的应力阶跃现象。整体的最大应力达到了517 MPa，显示4130材料也出现了局部的屈服现象。

图3 有限元分析得出的Von Mises应力分布云图

从图3a和图3c的对比可以看出，当第1道密封沟槽出现渗漏时，母接头承压范围更广，高应力分布区域更广，尤其是在密封沟槽底部区域，高应力区更加靠近承压件本体外表面。从图3b和图3d也可以看出，当压力只作用在第1道沟槽时，堆焊层残余应力分布范围较小，应力数值较小；除局部应力集中点以外，残余应力在100 MPa以内。当压力泄漏至第2道密封时，堆焊层残余应力分布范围明显增大，应力数值也增大至180 MPa以上。

根据弹塑性厚壁圆筒理论[14]，随厚壁圆筒内部压力增大，圆筒内壁首先出现屈服，弹-塑性界面逐渐向外扩展，只要未达到全厚度范围材料屈服，圆筒依然具备足够的承载能力。在本算例中，堆焊层在静水压强度试验的压力下发生了屈服，基体材料内侧也出现了局部屈服，但承压件整体保持了完整性。

绘制沿熔合线路径的Cohesive接触面接触应力曲线，如图4所示，考察堆焊层与本体的结合强度是否足够。Cohesive模型为ABAQUS里面的粘接接触模拟，允许存在接触面间的拉、压应力。从图4中可以看出，压力作用的沟槽位置，堆焊层和本体之间互相挤压，共同承受内部压力。但是，在承压沟槽外侧，因为沟槽承受密封圈挤压力，有受压“弯曲”的趋势，堆焊层和本体之间存在1个拉应力极值点。在本算例中，当压力仅作用在内侧密封时，此极值最大，但绝对值较小，约80 MPa，若两道密封沟槽距离太近，此应力继续增大，可能导致堆焊层开裂，设计时应注意避免。

图4 堆焊熔合线路径接触(分离)应力曲线

因为堆焊金属的大规模屈服，在压力卸载以后，母接头存在永久变形。本算例中，若试验工况第1道密封泄漏，则在内侧密封面附近将会出现0.02 mm的永久变形，此永久变形会导致第1道密封的轴、孔间隙增大，可能导致密封圈挤出，如图5所示。

图5 残余变形(试验压力、第1道密封泄漏)

4 分析方法的验证

宝鸡石油机械有限责任公司在南海八号平台隔水管边管维修工程中，按照传统的厚壁圆筒理论分别对密封沟槽底部和顶部截面进行分析计算[15]。考虑到堆焊层力学性能弱于本体，忽略了堆焊层，仅考虑接头本体材料承压。校核结果显示，结构无法承受试验压力。采用本文的方法重新进行校核计算，结果显示，结构设计强度足够，允许进行试验。对南海八号平台的50条边管进行静水压强度试验，结果表明，表面堆焊耐蚀合金的边管母接头具备足够的承载能力。本文所述的分析方法正确，可以应用于表面堆焊异种材料的零部件内压强度校核。