浮動(dòng)緩沖短節(jié)的疲勞及穩(wěn)定性分析

梁順安，程國(guó)鋒，李洪波，郭冬，郭乾坤，向明余

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.川慶鉆探長(zhǎng)慶石油工程監(jiān)督公司，西安 710000）

0 引言

在實(shí)際工程應(yīng)用中，因結(jié)構(gòu)疲勞或屈曲失穩(wěn)而導(dǎo)致產(chǎn)品在其有效壽命期內(nèi)失效的現(xiàn)象時(shí)有出現(xiàn)，常會(huì)引發(fā)惡性事故，給企業(yè)帶來(lái)非常嚴(yán)重的損失。因此已有越來(lái)越多的企業(yè)在重視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的疲勞及穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 浮動(dòng)緩沖短節(jié)結(jié)構(gòu)及作用

在工程應(yīng)用中中，浮動(dòng)緩沖短節(jié)（以下簡(jiǎn)稱短節(jié)，如圖1 所示）常用于連接鉆井動(dòng)力單元和鉆桿等鉆井單元，如圖2（a），其主要功能有：1）在鉆井作業(yè)時(shí)向鉆柱頂部提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力；2）緩沖上、卸扣時(shí)鉆桿對(duì)水龍頭連接端的沖擊，保護(hù)水龍頭連接端的螺紋扣；3）為泥漿循環(huán)提供泥漿通道。

圖1 浮動(dòng)緩沖短節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 浮動(dòng)緩沖短節(jié)的工程應(yīng)用

從圖2（b）可看出，短節(jié)上端接水龍頭，下端接鉆桿，屬于主要受力部件。如果短節(jié)的疲勞及穩(wěn)定性不能滿足要求，就存在著鉆具墜落或高壓泥漿泄漏等安全隱患，對(duì)鉆機(jī)及施工人員的安全有著很大的威脅。因此，對(duì)短節(jié)的疲勞及穩(wěn)定性進(jìn)行分析很有必要。

2 疲勞分析

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用ANSYS 軟件，在物理樣機(jī)制造之前進(jìn)行疲勞分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命，可極大降低制造物理樣機(jī)和進(jìn)行試驗(yàn)所帶來(lái)的巨額費(fèi)用。

2.1 材料及力學(xué)性能指標(biāo)

表1 短節(jié)主承載件及其材料力學(xué)性能

2.2 有限元模型

將短節(jié)在裝配體狀態(tài)下進(jìn)行分析，有限元模型如圖3 所示。裝配體各螺栓連接部件之間采用Bonded；其他相互有接觸的零組件之間采用Frictional。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小20 mm。

圖3 短節(jié)有限元模型、約束與載荷

2.3 約束及載荷

約束：固定上接頭內(nèi)錐螺紋所有自由度；載荷：在活動(dòng)接頭螺紋面施加當(dāng)量載荷365 kN，如圖3 所示。

2.4 分析計(jì)算

2.4.1 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)［1］中對(duì)鉆機(jī)服役期中的應(yīng)力循環(huán)總數(shù)N∑及當(dāng)量載荷系數(shù)的推導(dǎo)計(jì)算，得出ZJ15 級(jí)別鉆機(jī)在疲勞計(jì)算中的循環(huán)次數(shù)及當(dāng)量載荷數(shù)值分別為：短節(jié)預(yù)期最小循環(huán)次數(shù)為是N0＝2.8E5，當(dāng)量載荷為F0＝365 kN。

疲勞強(qiáng)度分析計(jì)算所用材料S-N 曲線數(shù)據(jù)按照《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅷ（2010 版）》第三冊(cè)中表KD-320.1M 列值分別選取，如表2、表3 和圖4、圖5 所示。

表2 外套、下蓋疲勞壽命計(jì)算S-N 曲線的表列值

表3 上接頭、沖管、活動(dòng)接頭疲勞壽命計(jì)算S-N 曲線的表列值

圖4 外套、下蓋S-N 曲線

圖5 上接頭、沖管、活動(dòng)接頭S-N 曲線

2.4.2 分析結(jié)果

各主要零件的應(yīng)力云圖及疲勞壽命圖分別如圖6～圖9 等所示。

圖6 上接頭Von-Mises 應(yīng)力圖

圖7 上接頭疲勞循環(huán)壽命圖

圖8 沖管Von-Mises 應(yīng)力圖

圖9 沖管疲勞循環(huán)壽命圖

2.5 結(jié)論

得出分析結(jié)果如表4 所示。

表4 短節(jié)各主承載件最小疲勞循環(huán)次數(shù)

由上述分析可知，短節(jié)各部件的最小疲勞循環(huán)次數(shù)：Nmin＝4.3E5＞Nf＝2.8E5，即各部件的計(jì)算壽命都滿足預(yù)期要求，所以短節(jié)主承載件上接頭、沖管、外套等零部件的疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

3 穩(wěn)定性分析

對(duì)短節(jié)進(jìn)行線性屈曲分析即Linear Buckling 分析來(lái)獲得其疲勞壽命、失穩(wěn)系數(shù)等穩(wěn)定性參數(shù)。這里將分析模型簡(jiǎn)化后，近似認(rèn)為短節(jié)的失穩(wěn)屬線性問(wèn)題。

進(jìn)行線性屈曲分析的目的是尋找分叉點(diǎn)，對(duì)于線性結(jié)構(gòu)，其方程是：（［K］+λ［S］）｛ψ｝＝0。式中：［S］是應(yīng)力剛度矩陣；λ 是常數(shù)；ψ 是屈曲模態(tài)形狀系數(shù)。式中，屈曲載荷乘上λ 就是將其乘到施加的載荷上，就可得到屈曲的臨界載荷。因此，分析的關(guān)鍵是獲得特征值λ。

3.1 有限元模型

有限元模型如圖10 所示。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小25 mm。

3.2 約束及載荷

圖10 短節(jié)有限元模型、約束及加載

約束：約束上接頭螺紋處的自由度，設(shè)為固定；

載荷：對(duì)短節(jié)的活動(dòng)接頭螺紋處施加F＝900 kN 的拉力，T＝15 000 N·m 的扭矩，短節(jié)內(nèi)環(huán)形腔壁施加P＝35 MPa的泥漿壓力。見(jiàn)圖10 所示。

3.3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

對(duì)短節(jié)進(jìn)行靜力學(xué)與線形屈曲的耦合分析，得出短節(jié)的6階失穩(wěn)安全系數(shù)如表5 所示。

前2階失穩(wěn)形態(tài)如圖11～圖12 所示，其余略。

表5 前6階失穩(wěn)安全系數(shù)

圖11 短節(jié)一階失穩(wěn)形態(tài)圖

3.4 結(jié)論

對(duì)短節(jié)整體進(jìn)行穩(wěn)定性分析的結(jié)果表明，短節(jié)的最低階（一階) 失穩(wěn)安全系數(shù)為λ1=12.9，大于短節(jié)的許用安全系數(shù)3（注：穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)不小于強(qiáng)度安全系數(shù)），其余各階安全系數(shù)更高。因此短節(jié)穩(wěn)定性滿足要求。

圖12 短節(jié)二階失穩(wěn)形態(tài)圖

4 結(jié)語(yǔ)

在工程應(yīng)用中，因結(jié)構(gòu)疲勞或屈曲失穩(wěn)而導(dǎo)致產(chǎn)品失效將帶來(lái)非常嚴(yán)重的損失；早期的分析計(jì)算中，也發(fā)現(xiàn)有些零部件不滿足疲勞及穩(wěn)定性判定要求，因此非常有必要對(duì)鉆機(jī)重要設(shè)備進(jìn)行相關(guān)分析。

本文應(yīng)用ANSYS 對(duì)調(diào)整后的短節(jié)進(jìn)行疲勞及穩(wěn)定性分析：1）得出了合適的短節(jié)各主要零部件的疲勞壽命系數(shù)及失穩(wěn)系數(shù)等重要參數(shù)，為短節(jié)疲勞及穩(wěn)定性提供了必要的判定依據(jù)；2）極大地降低了制造物理樣機(jī)和進(jìn)行耐久試驗(yàn)所帶來(lái)的巨額費(fèi)用；3）彌補(bǔ)了手工計(jì)算的缺陷，為設(shè)計(jì)者提供了一種新的計(jì)算思路。

［1］陳如恒，沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［2］李兵，何正嘉，陳雪峰.ABSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］蘇一凡，徐宏偉，徐黔斌，等.基于ANSYS 的海洋修井機(jī)井架強(qiáng)度分析［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（2）：607-609.