水下采油樹本體結(jié)構(gòu)強度有限元計算與分析

張鵬舉，鄭陶清，李 博，曾 明

（1. 美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941；2. 上海海事大學 商船學院，上海 201306）

水下采油樹本體結(jié)構(gòu)強度有限元計算與分析

張鵬舉1，鄭陶清2，李 博1，曾 明1

（1. 美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941；2. 上海海事大學 商船學院，上海 201306）

采油樹本體是水下采油樹的重要構(gòu)件，其強度和剛度是保證采油樹運行安全性和使用性的關(guān)鍵因素。采用有限元程序Patran和Nastran軟件，在設(shè)計工作與實際工作條件下，針對采油樹本體的三種不同工況，結(jié)合不同載荷條件下的結(jié)構(gòu)強度進行有限元計算。計算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域存在高應力，但總體結(jié)構(gòu)安全可靠。

采油樹本體；結(jié)構(gòu)強度；有限元計算

0　引言

水下采油樹是深海油氣開發(fā)中不可或缺的設(shè)備之一，在深海油氣田開發(fā)中起到了至關(guān)重要的作用［1］。長期以來，水下采油樹的關(guān)鍵技術(shù)被國外的幾家公司所壟斷［2］。我國對采油樹的研究面臨著國外專利和知識產(chǎn)權(quán)的封鎖，與美國、巴西、挪威等海洋石油發(fā)展強國有很大差距。盡早實現(xiàn)采油樹國產(chǎn)化，突破國外技術(shù)壟斷，具有十分重要的戰(zhàn)略意義［3］。

水下采油樹主要由采油樹本體、閥、連接器、油管掛、樹帽、油管、支架、導向架等部分組成。采油樹工作過程中承受高壓的作用，是典型的特種設(shè)備［4］。周思柱等［5］曾用兩種方法對某采油樹井口閥體進行了強度計算，指出有限元法計算結(jié)果更為精確。劉廣君［6］曾對某采油樹四通型本體結(jié)構(gòu)進行三維靜態(tài)有限元分析，得出最大應力值在相貫交叉點處。秦蕊等［7］曾對深海水下采油樹進行整體結(jié)構(gòu)強度計算，求出水深和油氣溫度等因素對結(jié)構(gòu)應力的影響，并給出最大應力的分布規(guī)律。前人的研究大多沒有考慮采油樹本體在多種載荷作用下結(jié)構(gòu)受力的分布規(guī)律。因此，全面研究該結(jié)構(gòu)的應力分布規(guī)律顯得格外緊迫。

1　采油樹本體力學分析模型

1.1 有限元模型建立

由于采油樹本體結(jié)構(gòu)較復雜，為便于分析研究，先在Solidworks軟件中對采油樹本體的三維幾何模型進行簡化，對不影響應力分析的一些細小構(gòu)件，如閥組周圍用于固定的螺栓孔、幾何模型中的不規(guī)則造型、本體外殼棱角處的凸臺等作了簡化處理，簡化后的幾何模型見圖 1。將該模型導入有限元計算程序的前處理軟件Patran，使用四面體10節(jié)點（Tet10）單元對其進行網(wǎng)格自動劃分，共劃分為62536個網(wǎng)格，12119個節(jié)點（見圖2）。

圖1　采油樹本體幾何模型

圖2　采油樹本體有限元模型

采油樹本體的材料為普通鋼材，其最小屈服強度yσ =517MPa，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.75×103kg/m3。

1.2 載荷條件

采油樹本體所受外部載荷來源豐富，在不同的作業(yè)條件下，將受到不同外力及彎矩的作用。綜合考慮現(xiàn)場、實際工作和設(shè)計工作條件三方面，基于對采油樹本體運行安全性、可靠性的要求，按3種工況進行強度分析。

工況1：在安裝過程中，由于防噴器、隔水管安裝偏角帶來的附加載荷。經(jīng)保守確定，該載荷為207730N的水平剪切力，作用點位置距離上端圓孔中心10.06m上空，作用方向不定，為保險起見，在水平面內(nèi)取與采油樹本體橫向軸線成0°、45°、90°三個方向分別進行計算。由于是吊裝工況，主要承受該力的部位為上端螺紋的下表面，通過設(shè)置 MPC技術(shù)，將該力傳遞到承擔的節(jié)點上（見圖3）。

工況2：當采油樹本體連接固定后，H-4連接器的測試壓強、預緊力和螺母扭緊力矩對采油樹本體結(jié)構(gòu)受力的影響也不可忽視。根據(jù)《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》［8］，測試壓強為103.5MPa。預緊力及扭矩主要依據(jù)《機械設(shè)計手冊》［9］第六篇中的計算公式。

根據(jù)材料力學［10］中關(guān)于應力面積eA的計算公式：

式中：D——螺紋大徑；d——螺紋小徑；L——螺紋長度；P——螺紋螺距；md——螺母中徑。

預緊力F及螺母扭緊力矩T的計算公式：

圖3　工況1載荷

式中：1T——螺紋摩擦力矩；2T——支承面摩擦力矩；2d——螺紋中徑；λ——螺紋升角；vρ——螺紋當量摩擦角；1f——摩擦系數(shù)。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，計算得出預緊力F=23296440.53N，扭矩T=1291496468N·mm。它們的作用點為軸向中心點，通過設(shè)置MPC技術(shù)，將該位置的力和扭矩傳遞到需要承擔的節(jié)點上（見圖4）。

圖4　工況2載荷

工況3：考慮超載的提升載荷，用于確定采油樹本體通過H-4連接器與井口頭連接的完好性，并需給出最大提升載荷。該載荷通過多次試算得出，為了保證結(jié)構(gòu)的完好性，受該載荷作用時，采油樹本體所受最大應力必須小于材料的屈服強度yσ。此外，還需要添加油管掛質(zhì)量10000N。添加上述載荷的位置是上部螺紋的上端面（見圖5）。

在以上3種工況中，都需要添加采油樹本體結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量，自身質(zhì)量通過定義重力加速度g=9.81m/s2實現(xiàn)。

1.3 邊界條件

需要分類考慮采油樹本體在3種工況下的邊界條件。對于工況1、工況3，由于采油樹本體通過H-4連接器與井口連接，所以對采油樹本體下端螺紋位置添加剛性固定約束（見圖6）。對于工況2，由于考慮的是H-4連接器對采油樹本體的預緊力及扭矩，此時采油樹本體已固定在油管掛之外，所以對本體內(nèi)部與之接觸的區(qū)域添加固定約束（見圖7）。

圖5　工況3載荷

圖6　下端螺紋約束

圖7　工況2約束

2　采油樹本體有限元計算結(jié)果分析

將采油樹本體的有限元計算模型導入后處理計算器Nastran中，計算出3種工況下采油樹本體的應力分布云圖。

2.1 應力云圖

工況 1：將本體的一端約束，另一端施加載荷，可近似地視作一個懸臂結(jié)構(gòu)，其最大應力一般出現(xiàn)在載荷作用點附近，根據(jù)工況1的應力分布云圖（見圖8），最大應力出現(xiàn)在采油樹本體上端螺紋與主體結(jié)構(gòu)銜接處，即剪切力作用的位置，只是隨力的作用方向變化而略有不同，與理論分析吻合。剪切力作用方向有0°、45°、90°等3種情況，其各自的最大應力點也出現(xiàn)在對應位置。計算結(jié)果表明，當水平剪切力與采油樹本體橫向軸線成0°時，應力最大，為171MPa，另兩種情況的最大應力值集中在150MPa左右，均大幅小于材料的最小屈服強度，結(jié)構(gòu)安全性較高。

圖8　工況1應力云圖

工況2：其應力云圖見圖9，H-4連接器的預緊力和扭矩通過接觸傳遞到本體下端的相應位置，產(chǎn)生較大應力，但由于預緊力適度，該區(qū)域的應力處于合理范圍，僅在個別點出現(xiàn)了較大應力。最大應力出現(xiàn)在下端螺紋與主體結(jié)構(gòu)銜接處，這是由本體自身的結(jié)構(gòu)型式所決定，該處形狀突變較大，又處在邊緣位置，容易產(chǎn)生高應力。但從計算結(jié)果可知，最大應力值為153MPa，與材料的最小屈服強度為517MPa相比，仍有差距，總的來說仍是安全可靠的。

工況 3：實為吊裝工況，提升載荷通過吊繩傳遞至采油樹本體的上端螺紋附近，致使該處容易出現(xiàn)高應力。經(jīng)多次試算，當最大提升載荷為3500t時，結(jié)構(gòu)所承受的最大應力為514MPa，已逼近材料的最小屈服強度，如果提升載荷繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)將發(fā)生危險，此時的應力分布云圖見圖10。

圖9　工況2應力云圖

圖10　工況3應力云圖

2.2 校核結(jié)果

根據(jù)“2.1”中計算出的最大應力，得出各種工況條件下采油樹本體的安全系數(shù)，并對結(jié)果作出評價（見表1）。

表1　校核結(jié)果

3　結(jié)語

1） 采用有限元法對采油樹本體進行了結(jié)構(gòu)強度計算，得出了應力分布規(guī)律，找出危險點的位置。為提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，建議在高應力區(qū)域，即上、下螺紋位置處采用高強度鋼材，從而有效避免螺紋處結(jié)構(gòu)由于高應力而被破壞；

2） 考慮了采油樹本體在正常操作過程中，可能出現(xiàn)的3種復雜工況，但由于其作業(yè)地點位于海底，許多非人為因素（如地震等）也可能對結(jié)構(gòu)造成破壞，在這些外部條件作用下，采油樹本體的應力分布規(guī)律，將是下一步研究的重點。

［1］ 薛鴻祥. 新型深海多柱桁架式平臺及立管結(jié)構(gòu)疲勞性研究［D］. 上海：上海交通大學，2008.

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［7］ 秦蕊，羅曉蘭，李清平，等. 深海水下采油樹結(jié)構(gòu)及強度計算［J］. 海洋工程，2011，29（2）：25-31.

［8］ ANSI/API Spec 6A，Specification for wellhead and christmas tree equipment［S］.

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［10］ 劉鴻文. 簡明材料力學［M］. 北京：高等教育出版社，2008.

Finite Element Calculation and Analysis of Subsea Production Tree Body Structure

ZHANG Peng-ju1，ZHENG Tao-qing2，LI Bo1，ZENG Ming1
（1. Mei Zuan Energy Technology（Shanghai）Co. Ltd.，Shanghai 200941；2. Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306）

Tree body is an important part of the subsea production tree，whose strength and stiffness are the key factors to ensure operation safety and usage of the tree. This paper uses the Patran and Nastran software based on finite element program to calculate the strength of the tree body structure with three different loading stresses both in the design and operation conditions. The calculation result shows that the overall structure of the body is safe and reliable though high stress exists in some areas.

production tree body； structure strength； finite element calculation

U674.38+1.03

A

2095-4069 （2016） 03-0022-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.004

2015-05-15

張鵬舉，男，高級工程師，1968年生。1992年畢業(yè)于海軍工程大學潛艇機電管理專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油天然氣鉆采設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計和測試工作。