XSL450型石油鉆機(jī)旋扣水龍頭殼體有限元分析

馬世榜，黃榮杰，馮慶東，張林海

(1.南陽師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 南陽 473061；2.南陽理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473004；3.南陽二機(jī)石油裝備(集團(tuán))有限公司，河南 南陽 473006)*

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XSL450型石油鉆機(jī)旋扣水龍頭殼體有限元分析

馬世榜1，黃榮杰1，馮慶東2，3，張林海2

(1.南陽師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 南陽 473061；2.南陽理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473004；3.南陽二機(jī)石油裝備(集團(tuán))有限公司，河南 南陽 473006)*

摘要：為保證石油鉆機(jī)旋扣水龍頭殼體的質(zhì)量及安全，提高設(shè)計(jì)效率，通過SolidWorks軟件建立了XSL450型石油鉆機(jī)旋扣水龍頭殼體的三維實(shí)體模型，針對額定載荷和2.25倍額定載荷2種工況下，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，分別計(jì)算了殼體在額定載荷和超負(fù)荷條件下的應(yīng)力狀況，分析了殼體的應(yīng)力分布規(guī)律。并根據(jù)API Spec 8C規(guī)范要求設(shè)置危險(xiǎn)下限和安全上限，顯示了2種工況下殼體的危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域，結(jié)果顯示殼體是安全的。提出了改進(jìn)和優(yōu)化措施，為XSL450型石油鉆機(jī)旋扣水龍頭殼體的安全設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：旋扣水龍頭；殼體；有限元模型；應(yīng)力分析

水龍頭是石油鉆機(jī)的關(guān)鍵部件，它既要和上部的游車大鉤保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，又要能帶動與之下部相連的鉆桿實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在正常工作狀態(tài)下，其下部懸掛鉆柱，內(nèi)部輸送高壓鉆井液，受力情況非常復(fù)雜，其工作性能的好壞直接影響整個(gè)鉆機(jī)的安全性能、鉆井效率、鉆井質(zhì)量和鉆井成本[1]。水龍頭主要由旋轉(zhuǎn)部分和固定部分等組成。旋轉(zhuǎn)部分由中心管等組成；固定部分由殼體、上蓋、下蓋、鵝頸管、提環(huán)和提環(huán)銷等組成。其中，殼體是承載中心管的重要零件，其通過與提環(huán)連接實(shí)現(xiàn)水龍頭與游車大鉤的連接，承擔(dān)著自重以及鉆桿工作載荷，要求必須承載能力強(qiáng)，安全可靠。

水龍頭殼體形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，截面變化大，受力狀況復(fù)雜，具有幾何非線性和較大的局部應(yīng)力集中，難以用解析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)一般進(jìn)行設(shè)計(jì)載荷試驗(yàn)的方法，但這種方法較為耗時(shí)耗力。有限元分析方法是石油裝備設(shè)計(jì)分析的有效方法，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析等方面[2-10]能夠給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，本文通過對水龍頭殼體進(jìn)行有限元計(jì)算和分析，為殼體的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1概述

XSL450型旋扣水龍頭殼體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式是按南陽二機(jī)石油裝備(集團(tuán))有限公司產(chǎn)品系列形式，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算按照API Spec 8C—2012《鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范》和GB/T 19190《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油提升設(shè)備》要求。殼體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由整體鑄造而成，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和表面處理，提高其強(qiáng)度和韌性。殼體的工作溫度和最低設(shè)計(jì)溫度均為-20 ℃，最終熱處理后的力學(xué)性能按照ASTM A370《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》進(jìn)行試驗(yàn)。殼體與其他部件的連接部分符合SY/T 5288—2000《鉆采提升設(shè)備主要連接尺寸》規(guī)定。

南陽二機(jī)集團(tuán)制造的XSL450型旋扣水龍頭殼體的材質(zhì)為ZG28CrNiMoA，按照API Spec 8C規(guī)范規(guī)定，該材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1　ZG28CrNiMoA的力學(xué)性能參數(shù)

2有限元建模和加載

根據(jù)產(chǎn)品要求性能及功能要求，利用SolidWorks軟件建立XSL450型旋扣水龍頭殼體整體三維實(shí)體模型?？紤]到殼體形狀極不規(guī)則，截面變化復(fù)雜，局部細(xì)節(jié)會影響到計(jì)算結(jié)果精度，對倒角等部分部位進(jìn)行簡化處理。按照殼體的設(shè)計(jì)尺寸，建立XSL450旋扣水龍頭殼體的有限元分析模型，如圖1所示。為保證殼體的產(chǎn)品質(zhì)量及工作安全，分別計(jì)算額定載荷和2.25倍額定載荷超負(fù)荷條件下殼體的應(yīng)力，并對其強(qiáng)度進(jìn)行校核。

XSL450型旋扣水龍頭殼體載荷主要是通過吊耳進(jìn)行固定支撐，下部通過圓筒肩部承載。根據(jù)材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用理想彈塑性材料的本構(gòu)關(guān)系，建立XSL450型旋扣水龍頭殼體的有限元分析模型加載方式，忽略了殼體材料的強(qiáng)化效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果偏于安全。加載時(shí)認(rèn)為載荷恒定，忽略水龍頭在游動中的自重和振動因素。利用建立的有限元模型，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，分別計(jì)算分析殼體在額定載荷和超負(fù)荷條件下的應(yīng)力分布。殼體形狀復(fù)雜，幾何非線性對其整體應(yīng)力影響較大，在截面突變處具有較大的應(yīng)力集中，應(yīng)重點(diǎn)分析。

圖1　XSL450型旋扣水龍頭殼體的有限元模型

3額定載荷工況下有限元分析

額定載荷(4 500 kN)下，XSL450型旋扣水龍頭殼體的Mises應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可以看出：最大應(yīng)力值為408.28 MPa，小于API規(guī)范中材料的屈服極限520 MPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度690 MPa，說明XSL450型旋扣水龍頭殼體在額定載荷下整體處于彈性狀態(tài)。殼體的危險(xiǎn)薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在吊耳部位。

將殼體的圓筒肩部和2個(gè)耳部應(yīng)力局部放大，如圖3所示，可以看出整體上應(yīng)力沿圓筒肩部和耳部所在的公共截面上較為均勻的分布，局部應(yīng)力最大應(yīng)力作用面積小，深度較淺，且小于屈服極限，說明殼體額定外載荷作用下受力整體比較均勻，安全余量是足夠的。

設(shè)定危險(xiǎn)下限區(qū)域應(yīng)力顯示值，去掉吊耳部位較大危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域后，剩余部分的應(yīng)力云圖如圖4所示，可以看出：該部分較大應(yīng)力仍出現(xiàn)在吊耳部位附近，最大應(yīng)力值為362.9 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。其余部位的應(yīng)力值均很小，說明殼體整體處于安全范圍內(nèi)，在額定工況條件下殼體的安全余量足夠。

圖2　額定載荷下殼體的Mises應(yīng)力云圖

圖3　額定載荷下殼體危險(xiǎn)區(qū)域的Mises應(yīng)力云圖

圖4　額定載荷下殼體設(shè)定危險(xiǎn)下

42.25倍額定載荷工況下有限元分析

在2.25倍額定載荷超負(fù)荷(10 125 kN)工況條件下XSL450型旋扣水龍頭殼體的Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可以看出：在2.25倍額定載荷的超負(fù)荷條件下，殼體整體應(yīng)力極值位置出現(xiàn)在兩耳部內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力值為504.81 MPa，小于材料的屈服極限520 MPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度690 MPa，此處應(yīng)力局部放大圖如圖6所示。由圖6可以看出：最大應(yīng)力主要集中在圓筒肩部，極大值所在區(qū)域面積較小，所占比例很小且深度很淺，說明殼體在2.25倍額定外載荷作用下整體受力仍然比較均勻，安全余量是足夠的。

圖5　2.25倍額定載荷下殼體的Mises應(yīng)力云圖

圖6　2.25倍額定載荷下殼體危險(xiǎn)區(qū)域的Mises應(yīng)力云圖

設(shè)定危險(xiǎn)下限區(qū)域應(yīng)力顯示值，去掉吊耳部位較大危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域后，剩余部分的應(yīng)力云圖如圖7所示，可以看出：最大應(yīng)力小于材料的屈服極限520 MPa，而且應(yīng)力分布較為均勻，說明殼體在2.25倍額定載荷超負(fù)荷工況下的安全余量是足夠的。

5危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域的應(yīng)力顯示

按照API Spec 8C規(guī)范要求，有限元計(jì)算結(jié)果需清晰顯示在額定載荷下，構(gòu)件危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域的應(yīng)力分布情況?？砂床牧系那O限比安全系

圖7　2.25倍額定載荷下殼體設(shè)定危險(xiǎn)

數(shù)比1.33(σs/s/1.33)設(shè)置危險(xiǎn)區(qū)域下限值，按材料的屈服極限比安全系數(shù)比10(σs/s/10)設(shè)置安全區(qū)域的上限值。殼體材料ZG28CrNiMoA滿足API Spec 8C規(guī)范要求的屈服極限為520 MPa，則其危險(xiǎn)下限值為σs/s/1.33=520/2.25/1.33=173.8 MPa，安全上限值為σs/s/10=520/2.25/10=23.1 MPa。

按照173.8 MPa的下限值和23.1 MPa上限值分別進(jìn)行設(shè)置并計(jì)算，其應(yīng)力分布情況分別如圖8～9所示。

圖8　額定載荷殼體設(shè)定危險(xiǎn)下限值的Mises應(yīng)力云圖

圖9　額定載荷殼體設(shè)定安全應(yīng)力上限的Mises應(yīng)力云圖

由圖8可以看出：殼體大于173.8 MPa的危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)在吊耳部提環(huán)銷孔下半部分，所占區(qū)域均較小且深度很淺。由圖9可以看出：殼體小于23.1 MPa的安全區(qū)域主要分布于外側(cè)耳架、背部耳槽及筒體部分區(qū)域。說明殼體在額定載荷下整體處于較為安全的工作狀態(tài)，可以再提高危險(xiǎn)部位的強(qiáng)度和表面硬度，優(yōu)化安全區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使提環(huán)應(yīng)力分布更加均勻，進(jìn)一步提高承載能力和減少整體質(zhì)量。

6結(jié)論

1)在額定載荷下，殼體上最大Mises等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，殼體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。殼體整體受力比較均勻地分布在外徑裝配推力軸承的軸圓筒肩部位，最危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)在吊耳局部，所受應(yīng)力沿吊耳部位提環(huán)銷孔外徑軸肩圓周均勻分布，具有足夠的安全余量。

2)在2.25倍額定載荷的超負(fù)荷加載條件下，計(jì)算顯示殼體等效應(yīng)力極大值仍然位于吊耳部處，但等效應(yīng)力仍然沒有超出材料的屈服極限，有較足的安全余量。分析表明2.25倍額定載荷是檢驗(yàn)殼體承載能力的合理參數(shù)。

3)由于實(shí)際生產(chǎn)中，殼體材料的實(shí)際屈服極限高于API Spec 8C規(guī)范要求的值，并且計(jì)算中未考慮軸向推力軸承對殼體材料的硬化效應(yīng)，故計(jì)算結(jié)果偏于安全。

4)可以提高殼體吊耳部提環(huán)銷孔等部位的強(qiáng)度和表面硬度，對吊耳等部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少體積及質(zhì)量，進(jìn)一步提高強(qiáng)度和安全性。

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Finite Element Analysis of XSL450 Rotary Swivel Shell of Oil Drilling Rig

MA Shibang1，HUANG Rongjie1，F(xiàn)ENG Qingdong2，3，ZHANG Linhai2

(1.SchoolofElectromechanicEngineering，NanyangNormalUniversity，Nanyang473061，China；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，NanyangInstituteofTechnology，Nanyang473004，China；3.RGPetro-Machinery(Group)Co.，Ltd.，Nanyang473006，China)

Abstract：To ensure XSL450 rotary swivel shell of oil drilling rig quality and safety，to improve the efficiency of design，the three-dimensional entity model of XSL450 rotary swivel shell of oil drilling rig was built with SolidWorks software.In the two kinds of rated load and 2.25 times rated load working conditions，the stress of XSL450 rotary swivel shell working with rated load or overload rated load was calculated by using ANSYS finite element analysis software.The stress distributing rule of shell was analyzed.According to API Spec 8C specification requirements，the lower limit and upper limit of safety stress were set in above two kinds of working conditions，the stress of danger zone and safe zone were showed，the results shows that the XLS 450 rotary swivel shell was safe under rated load or 2.25 times rated load working conditions.The measures of improvement and optimization were put forward.This provides the basis for safety design and structure optimization of XSL450 rotary swivel shell of oil drilling rig.

Keywords：rotary swivel；shell；finite element model；stress analysis

中圖分類號：TE923

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.011

作者簡介：馬世榜(1978-)，男，河南唐河人，講師，博士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)、石油裝備技術(shù)及應(yīng)用等方面的研究，E-mail：mshibang@126.com。

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(122102210403)；南陽師范學(xué)院博士科研專項(xiàng)項(xiàng)目(ZX2014092)

收稿日期：2015-10-22

文章編號：1001-3482(2016)04-0043-04