連接方式對隔水管法蘭試壓應(yīng)力分布的影響

侯曉東，劉宏亮，左其川，唐順東，趙煥寶，任小偉

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢618300）①

深水鉆井隔水管單根主要由主管體、密封襯套、輔助管線及其支架組成，各輔助管線布置在主管體周邊，包括節(jié)流／壓井管線、泥漿增壓管線和液壓管線。隔水管單根結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 隔水管單根結(jié)構(gòu)

隔水管是海洋鉆井作業(yè)中連通水下防噴器與鉆井平臺的通道，是海洋鉆井作業(yè)的必備設(shè)備。海洋深水鉆井隔水管工作環(huán)境惡劣，在深水作業(yè)中受力非常復(fù)雜［1－2］，因此，該產(chǎn)品在出廠前必須進行拉伸、內(nèi)壓、彎曲疲勞［3］等各項試驗，以確保其安全可靠。為了合理設(shè)計隔水管內(nèi)壓試驗裝置，采用有限元方法分析了螺栓連接和卡箍連接2種方式下隔水管法蘭的應(yīng)力分布情況。

1 隔水管水壓試驗連接方式

在進行隔水管單根的水壓試驗時，上下法蘭和試壓法蘭可采取2種方式連接。

1） 卡箍連接 用呈120°分布的三瓣卡箍卡緊隔水管法蘭和試壓法蘭，如圖2，卡箍的2個內(nèi)側(cè)面承受內(nèi)水壓產(chǎn)生的軸向拉力。這種方法裝配簡單便捷，三瓣卡箍可采用液壓控制，自動化程度高。

圖2 卡箍連接方式

2） 螺栓連接 如圖3，這種連接方法和隔水管單根之間的連接形式一致，但是，進行1次水壓試驗，需要人工裝卸12個M100的大螺栓，每個螺栓還必須達到規(guī)定的轉(zhuǎn)矩，對試驗而言，勞動強度大，自動化程度低。

圖3 螺栓連接方式

2 有限元模型的建立

對隔水管法蘭而言，周圍的輔助管線、卡箍、連接螺栓以及試壓法蘭都可用相應(yīng)的邊界條件代替，因此沒必要對其進行建模，這就避免了非線性接觸計算，也大幅減小了網(wǎng)格數(shù)量。但是，隔水管法蘭上各孔大小不同，結(jié)構(gòu)不對稱，要提高計算精度，只能采用整體模型進行分析計算。

在有限元分析中，零位移約束為絕對的剛性約束，對應(yīng)力分析結(jié)果影響較大，這和實際情況有所不同（絕大多數(shù)約束為彈性約束）。但由于剛性約束邊界只影響附近小范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，為了提高分析結(jié)果的準確性，根據(jù)圣維南原理［4］，可使模型的約束邊界遠離所關(guān)心的關(guān)鍵區(qū)域?；谠撛瓌t，建模時在單個法蘭的基礎(chǔ)上增加了1m長的1段主管體，在主管體的端面施加全約束，在法蘭的相應(yīng)位置施加載荷，這樣處理之后，約束端對法蘭處應(yīng)力分布狀況的影響可以忽略不計。有限元模型采用四面體網(wǎng)格，單元類型選用帶中間節(jié)點的Solid186實體單元以減小四面體網(wǎng)格的剛性，節(jié)點數(shù)201 423，單元數(shù)125 681，如圖4所示。

圖4 隔水管法蘭網(wǎng)格模型

3 卡箍連接方案應(yīng)力計算及強度評定

3.1 邊界條件

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS進行分析計算。首先，假設(shè)隔水管在水壓試驗工況下為小變形、線彈性狀態(tài)，符合彈性力學(xué)中的基本假設(shè)。

采用卡箍連接時，主管體和各輔助管線內(nèi)的水壓作用在試壓法蘭端面的軸向合力為14 000kN，該軸向力通過卡箍傳遞給產(chǎn)品法蘭，因此，此處載荷可通過在法蘭和卡箍的接觸面上施加14 000kN的均布壓力來實現(xiàn)，另外，主管體及法蘭內(nèi)表面還應(yīng)施加46.54MPa的試驗內(nèi)壓，載荷模型如圖5所示。

圖5 卡箍連接時的載荷模型

3.2 結(jié)果分析

隔水管法蘭材料抗拉強度784MPa，屈服強度588MPa，由于該工況屬于靜水壓試驗，可采用ASMEⅧ壓力容器分析設(shè)計標準［5－6］進行校核。根據(jù)此標準，在試驗工況下，該材料允許的各類型應(yīng)力的最大值如表1。其中：Pm表示薄膜應(yīng)力；Pb表示彎曲應(yīng)力。

表1 隔水管法蘭材料試驗工況許用極限應(yīng)力 MPa

圖6是隔水管上法蘭在卡箍連接時的總體Von－Mises等效應(yīng)力云圖。由圖6可以看出：主管體部分的等效應(yīng)力在500MPa以下，法蘭上各孔的連接處和節(jié)流／壓井管線孔邊緣局部等效應(yīng)力達到了1 000MPa以上。

圖6 卡箍連接時的Von－Mises等效應(yīng)力云圖

3.2.1 主管體應(yīng)力分布

圖7是主管體部分的等效應(yīng)力云圖，在管體的約束端，應(yīng)力梯度非常大，這是由于此處的剛性約束對其應(yīng)力分布的影響，很明顯，這種影響只局限在位移約束附近小范圍內(nèi)，這個區(qū)域的應(yīng)力分布是不真實的。這證明了前文對隔水管模型邊界條件簡化的正確性，同時也顯示了有限元模型正確簡化的重要性。

圖7 主管體Von－Mises等效應(yīng)力云圖

在主管體上遠離約束端的中間位置沿壁厚方向確定應(yīng)力路徑進行應(yīng)力分類［7－8］，結(jié)果如圖8，

圖8 主管體壁厚方向應(yīng)力分類結(jié)果

Pm＝415MPa，Pm＋Pb＝463.4MPa，滿足表1的要求。

3.2.2 法蘭圓周上各孔連接處應(yīng)力分布

由圖9可知，圓周上各孔的連接處（筋）等效應(yīng)力非常大，并且此處屬于主要承力區(qū)，必須對其進行校核。等效應(yīng)力最大處位于節(jié)流管線孔和相鄰螺栓孔之間的連接位置，沿該處應(yīng)力梯度最大的方向取應(yīng)力路徑進行應(yīng)力分類，結(jié)果如圖10。Pm＝396.4 MPa，Pm＋Pb＝975.2MPa＞793.8MPa，不滿足表1的要求，破壞的可能性非常大。

圖9 節(jié)流管線孔和螺栓孔處的應(yīng)力分布情況

圖10 節(jié)流管線孔和螺栓孔處的應(yīng)力分類結(jié)果

3.2.3 節(jié)流管線孔邊緣應(yīng)力分布

節(jié)流管線孔和壓井管線孔邊緣最薄處只有6 mm，此處材料厚度變化劇烈，是整個法蘭上最薄弱的環(huán)節(jié)，在試驗過程中，法蘭的微小變形就會引起該處應(yīng)力的急劇增加。圖11是該處的等效應(yīng)力分布云圖，可以看出：在此邊緣區(qū)域的很小范圍內(nèi)，等效應(yīng)力從幾十兆帕急劇增大到了1 400MPa以上。在此處，沿孔壁厚度方向取危險路徑進行應(yīng)力分類，結(jié)果如圖12。Pm＝608.8MPa＞529.2MPa，不滿足試驗工況下的ASME強度判定標準，Pm＋Pb＝1 380MPa更是遠超出了允許的最大值，因此，該位置在水壓試驗工況下極可能發(fā)生開裂。

圖11 節(jié)流管線孔邊緣處的應(yīng)力分布情況

圖12 節(jié)流管線孔邊緣應(yīng)力分類結(jié)果

4 螺栓連接方案應(yīng)力計算及強度評定

4.1 邊界條件

試驗工況下，采用6個M100的法蘭螺栓連接時，主管體和各輔助管線內(nèi)的水壓產(chǎn)生的軸向合力通過試壓法蘭、螺栓螺母作用在各螺栓孔的承力錐面上，該軸向合力為14 000kN。因此，此處載荷可通過在螺母的錐面上施加14 000kN的均布壓力來實現(xiàn)，另外，主管體及法蘭內(nèi)表面還應(yīng)施加46.54 MPa的試驗水壓，載荷模型如圖13所示。

圖13 螺栓連接時的載荷模型

4.2 結(jié)果分析

圖14是隔水管上法蘭采用螺栓連接時的總體Von－Mises等效應(yīng)力云圖。由圖14可以看出：此工況下最大的等效應(yīng)力為736MPa，發(fā)生在螺栓孔錐面附近的臺階處，此處原有2mm的倒圓角，在有限元模型簡化時，忽略了這個細小特征。在實際操作中該倒圓角能降低一部分的峰值應(yīng)力，因此，此處的實際應(yīng)力要小于計算值。

圖14 螺栓連接時的等效應(yīng)力分布云圖

對此模型的各關(guān)鍵區(qū)域取和前文分析時相似的危險路徑進行應(yīng)力分類和強度校核。

4.2.1 主管體應(yīng)力分布

圖15是主管體部分的等效應(yīng)力云圖，除了位移約束對應(yīng)力分布的局部影響區(qū)域外，主管體等效應(yīng)力均在500MPa以下。在遠離約束端的位置沿壁厚確定路徑進行應(yīng)力分類，結(jié)果如圖16。Pm＝410.6MPa，Pm＋Pb＝454MPa，滿足表1的強度要求。主管體壁厚方向的應(yīng)力分類結(jié)果表明，2種連接方式下主管體的應(yīng)力分布情況基本一致，隔水管試壓時，法蘭的不同連接方式對主管體部分的應(yīng)力分布影響不大。

圖15 主管體等效應(yīng)力分布云圖

圖16 主管體沿壁厚方向的應(yīng)力分類結(jié)果

4.2.2 法蘭圓周上各孔連接處

法蘭圓周上各孔的連接處等效應(yīng)力仍很大，最大點仍位于節(jié)流管線孔和相鄰螺栓孔之間的連接位置，如圖17所示。沿該處應(yīng)力梯度最大的方向取危險路徑進行應(yīng)力分類，結(jié)果如圖18。Pm＝154.2 MPa，Pm＋Pb＝412.6MPa＜793.8MPa，滿足表1的強度要求。

圖17 節(jié)流管線孔和螺栓孔連接處應(yīng)力分布

圖18 節(jié)流管線孔和螺栓孔連接處應(yīng)力分類結(jié)果

4.2.3 節(jié)流管線孔邊緣

圖19是螺栓連接時節(jié)流管線孔邊緣處的等效應(yīng)力分布云圖，可以看出：同樣在此邊緣區(qū)域的很小范圍內(nèi)，等效應(yīng)力從幾十兆帕急劇增加，但最大達到了640MPa，并不像卡箍連接時的情況，急劇增大至1 400MPa以上。

圖19 節(jié)流管線孔邊緣處的等效應(yīng)力分布云圖

在此處，沿孔壁厚度方向取危險路徑進行應(yīng)力分類，結(jié)果如圖20。Pm＝296.4MPa＜529.2MPa，Pm＋Pb＝618.8MPa＜793.8MPa，滿足表1的強度要求，最大等效應(yīng)力（包括峰值應(yīng)力）為640.7MPa。

圖20 節(jié)流管線孔邊緣處應(yīng)力分類結(jié)果

4.2.4 節(jié)流管線孔相鄰的螺栓孔臺階根部

螺栓連接工況，多了一處危險區(qū)域，就是節(jié)流管線孔相鄰的螺栓孔臺階根部，如圖21所示。

圖21 節(jié)流管線孔相鄰的螺栓孔臺階根部應(yīng)力分布

在此也對其進行應(yīng)力分類，同樣，以應(yīng)力梯度最大處取危險路徑，線性化后的應(yīng)力結(jié)果如圖22，Pm＝315.7MPa＜529.2MPa，Pm＋ Pb＝445.7MPa＜793.8MPa，滿足表1的強度要求。

圖22 螺栓孔臺階處的應(yīng)力分類結(jié)果

5 結(jié)論

1） 本文針對隔水管單根壓力試驗中法蘭的2種連接方式，用有限元方法對隔水管法蘭強度進行了分析計算，得出了隔水管壓力試驗時法蘭上的關(guān)鍵應(yīng)力分布區(qū)域，并分別對各關(guān)鍵應(yīng)力區(qū)采用ASMEⅧ分析設(shè)計標準進行了強度評定。

2） 同一壓力試驗工況，2種法蘭連接方式下，隔水管法蘭高應(yīng)力區(qū)分布位置基本一致，危險位置均包括法蘭上各孔的連接處（筋）和節(jié)流／壓井管線孔邊緣處（孔邊）。

3） 采用卡箍連接方式時，法蘭上各孔的連接處和節(jié)流／壓井管線孔邊緣處均不滿足ASME強度評定標準，對于本文的隔水管模型和載荷條件，不建議采用此種連接形式。

4） 采用螺栓連接方式時，法蘭各處均能滿足ASMEⅧ強度評定標準，滿足試驗要求，對于本文的隔水管模型和載荷條件，該方案可行。

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