基于ANSYS Workbench的耐压试验设备强度和应力分析

2023-12-29张袁祥李铭段瑞芳

机械工程师 2023年12期

张袁祥，李铭，段瑞芳

（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451）

0 引言

随着全球经济的飞速发展，人类对石油天然气的需求也逐渐扩大，而由于陆地空间和资源的限制，海洋成为近年来人类开发的目标。海洋资源包括海水、海洋生物、海洋能源、海底矿物资源，其中海洋石油资源日益成为各国争夺的重点，随着海洋油气勘探新技术的不断应用和日臻成熟，全球已进入深水油气开发阶段，海洋油气勘探开发已成为全球石油行业主要投资领域[1]。常规海洋地震勘探技术包括海上拖缆和海底电缆。但是面对复杂多变的海洋环境，物探船作业时，定位、激发与接收地震波过程会产生一定误差，这也会影响最终的勘探结果，常规勘探技术已逐渐不能满足勘探要求。海底节点（Ocean Bottom Node）地震勘探技术的出现不仅克服了海水的影响，还大大提高了勘探数据的准确性，代表了海洋勘探技术的发展方向[2]。

海底节点是一种位于海底，可以独立采集、记录地震信号的多分量地震仪，主要由控制单元、电池单元、检波器单元等组成。海底节点产品研制过程中，首要考虑的因素是产品的密封性能，保证该产品在海底能够满足耐压要求，正常进行采集作业。所以，在节点实际使用前，对其进行耐压试验是必不可少的环节。本文提出一个能够满足30 MPa压力要求的试验设备，并对其进行应力分析和强度评定，为该设备的使用提供了可靠的理论依据，该耐压试验设备的成功使用，也将提高海底节点产品质量的可靠性和稳定性，为海洋石油勘探技术的发展提供有力保证，为保障国家能源安全贡献力量。

1 主体材料及参数

该设备的釜底、釜体、釜盖及剪切环等承压零部件的材料为20MnMoNb锻件，密封圈托架的材料为S30408锻件，所有与工作介质接触的受压元件内壁均为TP.309L+TP.308L材料的堆焊层，厚度不小于5 mm，该材料和加工工艺已在多个类似项目中应用多年，产品质量可靠、运行良好，该设备的主体材料及参数如表1所示。该设备的结构参数中，较关键的两个尺寸计算过程如下。

表1 主体材料及参数

1.1 釜体主要尺寸

根据实际生产需要及场地空间要求，设计釜体内径Di=1010 mm，通过下式可以得到釜体厚度：

式中：δt为釜体计算厚度，δn为名义厚度（向上圆整至标准规格），δe为有效厚度。

1.2 釜底主要尺寸

通过查询GB/T 150.3—2011中表5-10和图5-21数据，可以得到该设备中涉及的平盖系数K取值为0.175 7，通过下式可以得到釜底厚度：

式中，δd为釜底计算厚度。

结合式（2）、式（3）进而求出名义厚度和有效厚度。

2 有限元模型建立

根据耐压试验设备的图样要求，该设备按照GB/T 150—2011标准设计，由于剪切环和料架结构和受力情况复杂，采用GB/T 150—2011已无法满足计算要求，根据该标准中附录E中关于“局部结构应力分析和评定”的规定，对于容器总体按照GB/T 150—2011设计，局部结构采用应力分析的方法。应力分类及应力分析结果的评定方法、局部结构的制造、检验和验收要求均遵循JB 4732—1995的相关规定。

根据该耐压试验设备的结构特点，本文中仅进行壳体、剪切环和料架、釜盖模型的应力分析，其余部位由常规计算保证，在此不再分析计算。

2.1 三维模型

为了避免ANSYS Workbench软件中建模的复杂性，本文选用SolidWorks软件进行耐压试验设备三维模型的建立。为了节约计算时间，对模型进行了简化处理。为了保证分析结果的可靠性和加快模型分析进程，仅选择部分模型进行分析：1）模型一（壳体+剪切环）。根据壳体和剪切环的结构特点及载荷特性，本文取1/8模型进行分析，如图1所示。2）模型二（料架+釜盖）。根据料架和釜盖的结构特点及载荷特性，本文取1/2模型进行分析，如图2所示。将三维模型导入ANSYS Workbench软件中。

图1 模型一（壳体+剪切环）

图2 模型二（料架+釜盖）

2.2 单元选择及网格划分

本文选用ANSYS Workbench软件进行应力分析计算，应力评估遵照JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》中的分析设计一般准则进行。

有限元分析中网格划分可以分为自由网格、映射网格和扫略网格等，每一种划分方法各有其特点和应用场合，其中映射网格划分方法可以减少计算所需的资源、加快计算速度，在节点个数相同的情况下精度更高，结合本模型的结构特点，选择映射网格方法进行划分，划分结果如图4、图5所示。模型一（壳体+剪切环）如图3所示。模型二（料架+釜盖）如图4所示。

图3 模型一网格划分

图4 模型二网格划分

图5 模型一边界条件

2.3 边界条件

根据该耐压试验设备的具体使用条件，本文中规定了该设备应力分析时的边界条件，并对部分计算过程进行如下说明。

2.3.1 模型一（壳体+剪切环）

边界条件的位置和方向如图5所示。

1）位移边界条件。壳体底面：釜底固定，允许筒体向外自由膨胀，限制筒体旋转。XOY、XOZ平面内施加对称约束。

2）力边界条件。壳体、封头内表面受内压P，接管等效压力F计算公式为

式中，R=d0/d为接管外径与内径之比。

釜体、釜盖内表面受内压，即设计压力P＝32 MPa；剪切环槽内施加10 kg（根据该设备密封结构设定此值）负载，即推力F=100 N。

2.3.2 模型二（料架+釜盖）

边界条件的位置和方向如图6所示。

图6 模型二边界条件

1）位移边界条件。釜盖表面：釜盖顶部固定，XOY平面内施加对称约束。

2）力边界条件。料架每层托板承受测试件重力及自身重力，每层质量约250 kg，即F=2500 N。

3 应力分析及强度评定

3.1 模型一（壳体+剪切环）

壳体和剪切环的应力分布如图7所示。

图7 模型一应力分析

最大应力出现在釜底内部倒圆角处，最大应力值为476.6 MPa，大于材料的设计应力强度（230 MPa），需对危险部位进行应力线性化，如图8所示，选择A～E共5条路径进行应力线性化，根据JB 4732—1995中表4-1和表5-1可以得到，该设备应重点关注局部薄膜和二次应力的受力情况，另外载荷组合系数K值应根据该标准中的表3-3选取。