注氣井口裝置油管頭六通有限元分析與優(yōu)化

徐彤彤，龔　凱，2，周　海，張　圓，2，姜玉虎，張水玉

(1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇宏泰石化機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城 224400)①

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注氣井口裝置油管頭六通有限元分析與優(yōu)化

徐彤彤1，龔凱1，2，周海1，張圓1，2，姜玉虎3，張水玉3

(1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇宏泰石化機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城 224400)①

摘要：基于ANSYS Workbench有限元分析平臺，以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo)，采用多目標(biāo)遺傳算法對注汽井口裝置的油管頭六通結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求的前提下，油管頭六通的質(zhì)量從546.295 kg降低到504.66 kg，減少了7.62%，降低了制造成本，且便于運(yùn)輸、安裝。為注汽井口裝置整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：井口裝置；油管頭六通；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

注汽井口裝置是油田作業(yè)中使用數(shù)量最大、種類最多的裝備之一[1]。每口油氣井必須配備該裝置。隨著地層變化、環(huán)境不同、井壓各異，以及油氣狀態(tài)、油氣密度及所含有害物質(zhì)的種類和組份的大小等均對井口裝置提出了不同的設(shè)計(jì)要求[2-3]。因此，分析研究滿足各種復(fù)雜工況要求和安全可靠的井口裝置，對不斷縮小我國與發(fā)達(dá)國家之間的差距，有效提升我國在該領(lǐng)域的影響和市場競爭力等均有著非常重要的意義[4-6]。

注氣井口裝置油管頭六通殼體內(nèi)的兩只懸掛器部件和內(nèi)外兩根同軸油管，以及最外層的套管和側(cè)壁上連接的兩排平行的注氣管閥件，可以方便地實(shí)現(xiàn)分層注氣和開采作業(yè)[7]，解決了原有油管頭四通不能適應(yīng)注水、注氣或分層注氣的開采要求，不能適應(yīng)二氧化碳?xì)怏w強(qiáng)腐蝕的工作環(huán)境，不能適應(yīng)油氣井遠(yuǎn)距離操控的問題[8]。

在進(jìn)行注氣井口裝置油管頭六通的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常將較復(fù)雜的圓筒相貫結(jié)構(gòu)簡化為直通厚壁圓筒，這樣就不能定量分析結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜特點(diǎn)及應(yīng)力集中因素，產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差，使結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算不合理。既造成了不必要的材料浪費(fèi)，也增大了井口裝置的體積，帶來運(yùn)輸、安裝的不便。

用ANSYS軟件對注氣井口裝置油管頭六通進(jìn)行有限元分析，得到油管頭六通內(nèi)應(yīng)力分布情況。在此基礎(chǔ)上以質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，以最大等效應(yīng)力作為約束條件對油管頭六通進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到節(jié)省材料和提高可靠性的目的。

1油管頭六通的有限元分析

1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

注氣井口裝置油管頭六通結(jié)構(gòu)如圖1所示。主壁厚t=38.4 mm，內(nèi)圓角半徑R1=15 mm、外圓角半徑R0=10 mm。材料為1Cr13，材料的彈性模量E=216 GPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 770 kg/m3。

圖1　油管頭六通

1.2有限元模型的生成

采用在ANSYS中直接生成模型的方法進(jìn)行建模。為了減少在有限元計(jì)算過程中產(chǎn)生誤差，對油管頭六通上的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，簡化后的模型如圖2所示。建模時(shí)將上部密封槽簡化為一個(gè)平面圓環(huán)，以便施加載荷；側(cè)面密封槽和法蘭的卡箍予以忽略。

圖2　油管頭六通的有限元模型

1.3單元類型的選擇與網(wǎng)格劃分

在ANSYS結(jié)構(gòu)線性分析中，三維實(shí)體網(wǎng)格有六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格2大類。油管頭六通的結(jié)構(gòu)是典型的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，不便采用六面體網(wǎng)格。此處采用四面體二次等參單元，即SOLID92單元，這種單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。設(shè)置單元尺寸為3 mm，采用自由網(wǎng)格劃分方式生成有限元網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)為139 812，單元數(shù)91 645。

1.4載荷分析

油管頭六通主要承受介質(zhì)內(nèi)壓、油管柱的重力以及安裝在油管頭六通上其他裝置的重力。其額定工作壓力為35 MPa，水壓試驗(yàn)壓力為70 MPa，故取內(nèi)壓為70 MPa，施加在油管頭六通內(nèi)表面；井深為2 000 m，油管柱的重力約為156 800 N，換算為壓力36.79 MPa，施加在油管頭六通的支撐環(huán)上；安裝在油管頭六通上裝置的質(zhì)量4 900 N，換算為壓力1.23 MPa，施加在上部密封槽上。

1.5邊界條件

由對稱性規(guī)定，在兩個(gè)剖分面上施加對稱約束。油管頭六通的底部采用螺栓與套管頭連接，因此，在連接套管頭的一端施加軸向約束。

2有限元計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元分析，得到油管頭六通等效應(yīng)力，如圖3所示。結(jié)果表明，油管頭六通內(nèi)最大應(yīng)力為162.78 MPa，出現(xiàn)在圓柱內(nèi)表面與手動平板閥圓筒相貫處。由有限元分析結(jié)果可以看出，圓筒相貫處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他部位應(yīng)力遠(yuǎn)小于最大應(yīng)力。因此可判斷油管頭六通的整體強(qiáng)度余量偏大。若能減輕質(zhì)量的同時(shí)，減小油管頭六通內(nèi)部的應(yīng)力集中，則設(shè)計(jì)更為合理。

圖3　優(yōu)化前油管頭六通的應(yīng)力分布

3油管頭六通的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本流程

ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下基本步驟：①描述工程問題；②參數(shù)化建模；③求解；④后處理；⑤優(yōu)化參數(shù)評價(jià)；⑥修正設(shè)計(jì)變量；⑦獲取優(yōu)化設(shè)計(jì)變量值和目標(biāo)函數(shù)值。

3.2優(yōu)化變量設(shè)置

優(yōu)化變量包括設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。

1)設(shè)計(jì)變量分析可知，油管頭六通的質(zhì)量與主壁厚t有關(guān)，而圓筒相貫處應(yīng)力的大小與內(nèi)圓角半徑R1和外圓角半徑R0有關(guān)。故以t、R0和R1這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。其取值范圍為25 mm≤t≤40 mm，5 mm≤R0≤30 mm，10 mm≤R1≤35 mm。

2)狀態(tài)變量以最大Von Mises等效應(yīng)力即許用應(yīng)力作為為狀態(tài)變量。1Cr13為塑性材料，屈服極限δs=345 MPa。故許用應(yīng)力[δ]=δs=345 MPa。

3)目標(biāo)函數(shù)。本設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)是油管頭六通質(zhì)量最小，由于油管頭六通材料是均勻的，故優(yōu)化時(shí)以總體積為目標(biāo)函數(shù)。這樣在計(jì)算中就不用計(jì)算質(zhì)量矩陣，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

4優(yōu)化結(jié)果分析

利用APDL語言實(shí)現(xiàn)油管頭六通的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，得到目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線，如圖4所示。

圖4　質(zhì)量與最大應(yīng)力最優(yōu)解集

由圖4可知，可行解位于坐標(biāo)系原點(diǎn)附近，這符合優(yōu)化目標(biāo)最小化期望。從最優(yōu)解集中選取效果較好的一組作為最優(yōu)解，并以其為設(shè)計(jì)點(diǎn)驗(yàn)證優(yōu)化后的效果。優(yōu)化前后結(jié)果如表1所示。

表1　優(yōu)化前后結(jié)果對比

由表1可以看出，優(yōu)化后整個(gè)油管頭六通質(zhì)量由546.295 kg減輕為504.66 kg，減少了7.62%。應(yīng)力最大值雖然由優(yōu)化前的167.78 MPa增加到185.77 MPa，但是優(yōu)化后的應(yīng)力依然遠(yuǎn)小于1Cr13的屈服極限345 MPa。所以此次優(yōu)化是符合要求的。

5結(jié)論

1)為了減輕注氣井口裝置油管頭六通的質(zhì)量，基于Ansys Workbench平臺，采用多目標(biāo)遺傳算法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)優(yōu)化后的質(zhì)量為504.66 kg，質(zhì)量減輕了7.62%。最大應(yīng)力為185.77 MPa，符合規(guī)范要求。既滿足性能要求，又降低生產(chǎn)成本，并方便運(yùn)輸和安裝。

3)利用ANSYS進(jìn)行多參數(shù)、形狀復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行、高效的，可為石油井口裝置同類零部件的優(yōu)化提供參考，并為之后的油管頭六通結(jié)構(gòu)的系列化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0042-03

收稿日期：①2015-12-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51405420)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BY2014108-04)；江蘇省“六大人才高峰”(2013-ZBZZ-026)

作者簡介：徐彤彤(1989-)，女，江蘇射陽人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)，E-mail：469020843@qq.com。

中圖分類號：TE933.502

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.008

FEA and Optimizing for Tubing Head Spool of Gas Injection Welled Equipment

XU Tongtong1，GONG Kai1，2，ZHOU Hai1，ZHANG Yuan1，2，JIANG Yuhu3，ZHANG Shuiyu3

(1.YanchengInstituteofTechnology，Yancheng224051，China；2.JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China；3.JiangsuHongtaiPetrochemicalMachineryCo.，Ltd.，Yancheng224400，China)

Abstract：Based on ANSYS Workbench，the structure of tubing head spool for gas injection welled equipment is analyzed and optimized to reduce weight applying multi-objective genetic algorithm.The mass of the tubing head spool decreasing at 7.62% from 546.295 kg to 504.66 kg after the optimizing which indicates the project is reasonable which realizes the target to lessen weight while satisfy the demand of stiffness.The new structure is easy to be transported and installed in lower cost which provides a basis to improve the total structure of gas injection welled equipment.

Keywords：wellhead equipment；tubing head spool；structure；optimizing design