Cameron結(jié)構(gòu)的防噴器殼體有限元分析

肖力彤,宋振華,鄭 泳,黃鴻彥,肖欣榮

(1.四川石油管理局裝備制造公司,成都610051;2.南陽二機(jī)石油裝備(集團(tuán))有限公司,河南南陽473006)

Cameron結(jié)構(gòu)的防噴器殼體有限元分析

肖力彤1,宋振華1,鄭 泳1,黃鴻彥2,肖欣榮2

(1.四川石油管理局裝備制造公司,成都610051;2.南陽二機(jī)石油裝備(集團(tuán))有限公司,河南南陽473006)

參考美國Cameron公司的閘板防噴器,所設(shè)計(jì)的殼體采用長圓形的閘板腔結(jié)構(gòu)。利用Cosmosworks 2008有限元分析軟件計(jì)算單閘板防噴器殼體模型在額定工作壓力35 MPa和靜水壓力52.5 MPa工況條件下的應(yīng)力分布及危險(xiǎn)點(diǎn),并按照ASME規(guī)范分析其應(yīng)力組合,表明該設(shè)計(jì)是安全的。

防噴器;殼體;應(yīng)力;有限元分析

Abstract:Referring to the structure of Cameron BOP,flashboard long circular cavity is used.Making use of finite element analysis of Cosmosworks 2008 to calculate the stress distribution and risk points of its casing at the working pressure of 35MPa and hydrostatic pressure of 52.5 MPa.Following to the stress combination analyzed by ASME,the designing is safe.

Key words:BOP;casing;stress;finite element analysis

鉆井用閘板防噴器是石油及天然氣鉆井工程中必備的設(shè)備,應(yīng)具備有效封閉井口、防止鉆井時(shí)井噴以及處理其他復(fù)雜情況等功能,并且具備用液壓開關(guān)閘板的功能。其特點(diǎn)是操作方便,安全可靠,結(jié)構(gòu)緊湊,既可在井內(nèi)無鉆柱時(shí)關(guān)閉空井筒,又可在井內(nèi)有鉆柱時(shí)關(guān)閉套管與鉆柱之間的環(huán)形空間。

殼體是閘板防噴器的主體,是承受高壓的重要零件。殼體中間有通過鉆具的垂直通孔及閘板水平運(yùn)動(dòng)的閘板腔室。殼體外部鑄有加強(qiáng)筋,既可減輕質(zhì)量,又使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理,提高承載能力。閘板腔室底部制成便于泥沙流入井筒的傾斜面,而閘板被支撐在底部的支撐筋上,這有利于清除泥沙,減少開關(guān)阻力。側(cè)面導(dǎo)向筋限制閘板,使之對(duì)正井口。

閘板防噴器的殼體為合金鋼鑄造成型。其體積和質(zhì)量較大,強(qiáng)度比鍛造的低,但制造容易,成本較低,并采用合理的熱處理工藝。美國Cameron公司的防噴器殼體是在350 000 kN水壓機(jī)上采用閉合模鍛壓成型,因而具備強(qiáng)度高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

采用Cosmosworks 2008分析軟件對(duì)該防噴器的承壓主殼體進(jìn)行了有限元分析計(jì)算,給出了額定工作壓力和強(qiáng)度試驗(yàn)壓力條件下的單元應(yīng)力數(shù)值及云圖,并按照壓力容器規(guī)范對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和強(qiáng)度驗(yàn)證,保障該防噴器設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照API Spec 16A對(duì)承壓件殼體材料的選用要求,選用25CrNiMo制造殼體,調(diào)質(zhì)處理硬度為197～235 HB。確定防噴器的公稱通徑為?279.4 mm,額定工作壓力為35 MPa[1]后,按照強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了方便防噴器的安裝與拆卸,殼體上、下部均采用法蘭結(jié)構(gòu)的形式;為了提高殼體的力學(xué)性能,最大限度地降低閘板腔的應(yīng)力集中,閘板腔選用長圓形結(jié)構(gòu)。殼體的三維模型如圖1[1,3]。

圖1 殼體三維模型

2 有限元分析

采用有限元法對(duì)殼體進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算,以確定防噴器在工作中是否滿足強(qiáng)度要求。按照靜水壓試驗(yàn)條件和額定工作壓力下的單元數(shù)值及云圖,對(duì)殼體按API Spec 16A的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.1 材料性能參數(shù)

防噴器殼體選用25CrNiMo材料,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,其力學(xué)性能參數(shù)如表1。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用三維實(shí)體單元對(duì)防噴器殼體的簡化實(shí)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,并對(duì)承載面進(jìn)行單元細(xì)分,共劃分123 868個(gè)節(jié)點(diǎn),77 380個(gè)單元。有限元網(wǎng)格劃分如圖2。

2.3 約束與載荷條件

防噴器殼體有3個(gè)對(duì)稱面,且載荷也是對(duì)稱分布。對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí),在對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界約束。同時(shí),考慮2種受力狀態(tài):①在試驗(yàn)狀態(tài),上下端的垂直通孔和兩側(cè)的1個(gè)長圓形通孔均用密封盲板覆蓋,擰緊螺栓,內(nèi)腔加水壓至靜液壓力52.5 MPa(1.5倍的工作壓力);②在工作狀態(tài)下,額定工作壓力為35 MPa。如圖3～4。

圖2 殼體有限元網(wǎng)格劃分

圖3 殼體在52.5 MPa靜水壓力下的約束與載荷條件

表1 FZ28-35型防噴器殼體材料性能參數(shù)[3]

圖4 殼體在35 MPa額定工作壓力下的約束與載荷條件

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

a) 在靜水壓試驗(yàn)壓力載荷狀態(tài)下(52.5 MPa),殼體垂直通孔與長圓形通孔相貫的上壁應(yīng)力達(dá)到298.8 MPa(如圖5),小于屈服極限517 MPa,不會(huì)發(fā)生塑性變形。實(shí)際上由于上端密封件以及兩側(cè)的密封盲板的作用,此處的應(yīng)力明顯小于計(jì)算的單元應(yīng)力。按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊附錄4[2]ASME規(guī)范應(yīng)力分類的理論,主殼體受內(nèi)壓時(shí),該處有凸曲的趨勢,承受較大的拉應(yīng)力,且結(jié)構(gòu)不連續(xù),其最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力是由一次薄膜應(yīng)力σm、一次彎曲應(yīng)力σw疊加而成的。對(duì)水壓試驗(yàn)的容器,試驗(yàn)應(yīng)力下的強(qiáng)度條件為σm+σ≤1.35σs=697.95 MPa[4-5]。

計(jì)算值為σm+σw=298.8 MPa＜697.95 MPa,在靜水壓試驗(yàn)壓力下,設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合API規(guī)范。

圖5 殼體在52.5 MPa靜水壓力下的應(yīng)力云圖

b) 在35 MPa額定工作壓力狀態(tài)下,最大應(yīng)力發(fā)生在殼體垂直通孔與長圓形通孔相貫的上壁(如圖6),最大等效應(yīng)力為180.5 MPa,小于屈服極限517 MPa,說明在35 MPa額定工作壓力下,殼體整體處于彈性狀態(tài),此時(shí)用彈性模型對(duì)殼體進(jìn)行求解是正確的,安全系數(shù)n=517/180.5=2.86。

圖6 殼體在35 MPa額定工作壓力下的應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1) 閘板防噴器殼體的閘板腔采用長圓形截面,結(jié)構(gòu)尺寸小、承壓能力強(qiáng)。殼體內(nèi)腔采用鍍Ni處理,耐磨,耐腐蝕,壽命長;底部加工了流沙槽,避免了巖屑和泥沙的淤積,減小了閘板開關(guān)阻力。殼體、側(cè)門等的毛坯用真空精煉鋼錠整體鍛造,材質(zhì)更純凈、組織更致密、性能更可靠。

2) 通過用Cosmosworks 2008軟件分析,找到了防噴器主殼體的薄弱環(huán)節(jié),即垂直通道與閘板軌道相貫處,其原因是應(yīng)力集中引起的。為了減小應(yīng)力集中,最佳的方法就是將其圓弧處理,這樣不僅能解決問題,更重要的是在實(shí)際生產(chǎn)加工中也很容易實(shí)現(xiàn)。

3) 在靜水壓力52.5 MPa及額定工作壓力35 MPa下,運(yùn)用有限元方法對(duì)關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析,得到了構(gòu)件的應(yīng)力分布圖、應(yīng)力集中點(diǎn)及最大、最小應(yīng)力值,其強(qiáng)度的安全系數(shù)符合API的要求。

[1] API Spec 6A,Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].19版.2004.

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel code(SectionⅧ.Division 2)[S].SI Edition,1998.

[3] API Spec 16A,鉆通設(shè)備規(guī)范[S].3版.2004.

[4] 任克忍,盧韻皎,張永澤,等.雙閘板防噴器主殼體的有限元強(qiáng)度分析[J].石油礦場機(jī)械,2005,34(1):50-53.

[5] 張永澤,梁 政,蔣發(fā)光,等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析強(qiáng)度判定方法[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(5):5-8.

Finite Element Analysis of Casing with Cameron Structure BOP

XIAO Li-tong1,SONG Zhen-hua1,ZHENG Yong1,HUANG Hong-yan2,XIAO Xin-rong2
(1.Equipment Manuf acture Company,Sichuan Petroleum Administration Bureau,Chengdu610051,China;2.RG Petro-Machinery(Group)Co.,Ltd.,Nanyang473006,China)

TE921.502

A

1001-3482(2010)02-0038-03

2009-08-07

肖力彤(1964-),男,四川成都人,高級(jí)工程師,1985年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油礦場機(jī)械專業(yè),現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備的管理與科研工作,E-mail:xiaolitong2000@sina.com。