基于ABAQUS的雙金屬?gòu)?fù)合材料密封結(jié)構(gòu)承壓性能研究

張彩瑩，李賢坤，王 川，羅 強(qiáng)，楊 虎，路子正

(1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.西南石油大學(xué)，成都 610500； 3.西南大學(xué)，重慶 400715)

石油鉆采領(lǐng)域中，因地層壓力的不確定性，井口、井控類設(shè)備均設(shè)計(jì)為壓力容器，部分特殊工況零部件為高壓或超高壓壓力容器。地層流體中的H2S對(duì)于石油鉆采設(shè)備不僅具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，還可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)硫化氫應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)，影響設(shè)備安全。在工程應(yīng)用中，常采用低合金鋼表面堆焊耐腐蝕材料的方法來(lái)預(yù)防H2S對(duì)設(shè)備安全和壽命的影響[1-3]。

在壓力容器的孔、軸配合密封結(jié)構(gòu)中，通常在孔或軸的徑向表面設(shè)計(jì)密封溝槽，安裝密封圈。這使得裝配結(jié)構(gòu)截面不再是簡(jiǎn)單的圓筒形，而是具備復(fù)雜形狀的截面，采用傳統(tǒng)的厚壁圓筒理論，難以考慮到溝槽對(duì)部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。為預(yù)防H2S對(duì)設(shè)備安全和壽命影響而進(jìn)行的表面堆焊耐蝕合金工藝，使得同一截面包含2種不同力學(xué)性能的材料，給分析帶來(lái)更大的困難。

采用數(shù)值解法的有限元軟件可以較為準(zhǔn)確的模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)截面在壓力作用下的響應(yīng)問(wèn)題。對(duì)于雙金屬堆焊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可采用基于ABAQUS的Cohesive接觸模型進(jìn)行模擬。分析中還應(yīng)考慮超高壓外部載荷導(dǎo)致的材料可能出現(xiàn)屈服的問(wèn)題，應(yīng)引進(jìn)彈-塑性非線性材料模型進(jìn)行分析。

1 材料模型

壓力容器設(shè)計(jì)中使用的高強(qiáng)度低合金鋼屬于彈-塑性材料，具有明顯的屈服-流動(dòng)特點(diǎn)。通過(guò)材料力學(xué)性能試驗(yàn)，可獲得屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率等指標(biāo)。在有限元軟件ABAQUS中，采用雙線性塑性材料模型，通過(guò)這些設(shè)計(jì)指標(biāo)的變換，可以給出材料的力學(xué)性能曲線。需要注意的是，材料試驗(yàn)得出的是名義抗拉強(qiáng)度和名義變形，在ABAQUS中需要輸入的為真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變。真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變的推導(dǎo)方法如下[4]。

屈服前，試棒長(zhǎng)度l，截面積A未發(fā)生變化

σnom=σreal；εnom=εreal

材料屈服后進(jìn)入塑性階段

σnom≠σreal；εnom≠εreal。σnom=Rm；εnom=(l-l0)/l0

拉斷點(diǎn)處

σreal=σr=σnom(1+εnom)

則材料的真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變?yōu)?/p>

σr=Rm(1+εnom)

2 接觸模型

堆焊金屬層與本體之間為冶金級(jí)結(jié)合，堆焊層與基體金屬具有不同的力學(xué)性能。分別建立不同的截面，賦予不同的材料屬性來(lái)模擬堆焊層和基體金屬的彈塑性力學(xué)行為。在二者界面位置，假設(shè)二者為粘接，使用Cohesive接觸模型模擬[5]。

ABAQUS中的粘接模型有Cohesive單元和Cohesive接觸兩種設(shè)置形式。Cohesive接觸模擬可以模擬層間很薄的粘合面或界面力學(xué)行為，Cohesive單元可以模擬一定厚度的粘膠層或其他粘合材料力學(xué)行為，也可以將Cohesive單元厚度設(shè)置為0，其效果與Cohesive接觸模型相同。Cohesive模型基本假定是粘合界面滿足牽引-分離準(zhǔn)則，通常假定粘接行為是線性變化的，一旦達(dá)到破壞條件，材料會(huì)按照用戶定義的損傷演化模型逐步失效破壞。

三維Cohesive單元本構(gòu)模型可由下式表達(dá)[6-7]。

式中：n為法向即厚度方向；s、t為垂直于厚度的另外2個(gè)方向。當(dāng)指定采用類型為traction而非coupled traction時(shí)，3個(gè)方向剛度非耦合，則除對(duì)角線上的Enn、Ess、Ett外，其余元素全部為0。

實(shí)際上，Cohesive單元可看作是一種準(zhǔn)二維單元，可以將它理解為隔開(kāi)一定厚度的2個(gè)面，這2個(gè)面分別和其它實(shí)體單元相連，Cohesive單元只考慮面外的力，該面外力可以被分解為法向的正應(yīng)力，以及第1、第2方向的切應(yīng)力。

3 算例分析

3.1 結(jié)構(gòu)和材料及接觸模型

在海洋鉆井隔水管的節(jié)流和壓井管線的插頭設(shè)計(jì)中[8-11]，為保證接頭表面能夠長(zhǎng)期保持滿足密封要求的尺寸精度，提高部件壽命，母接頭本體采用4130鍛件，表面堆焊Inconel 625耐腐蝕合金。

海洋鉆井隔水管的節(jié)流和壓井管線的插接接頭結(jié)構(gòu)形式如圖1，包括公接頭、表面堆焊耐蝕合金的母接頭、組合密封圈等。從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中可以看出，密封溝槽截面位置屬于承壓結(jié)構(gòu)本體薄弱點(diǎn)。

圖1 插接頭連接部位結(jié)構(gòu)示意

考慮到公接頭與母接頭的裝配關(guān)系和可能存在的影響，建立包含公、母接頭裝配的軸對(duì)稱有限元模型，公、母頭裝配間隙設(shè)計(jì)為徑向0.3 mm。堆焊層和母頭本體作為單獨(dú)的體分別建模。為避免管端約束位置對(duì)分析部位存在的邊界影響，分析的管段要求足夠長(zhǎng)，建立的有限元模型如圖2。

圖2 密封接頭有限元模型

Inconel 625合金為鎳鉻鉬為主要成分的奧氏體超耐熱合金材料，具有優(yōu)良的抗氧化和耐腐蝕性能。用于表面堆焊的焊材AWS標(biāo)號(hào)為E(R)NiCrMo-3，成分優(yōu)于板、帶材[1]。計(jì)算中采用板、帶材狀態(tài)的Inconel 625合金力學(xué)性能進(jìn)行分析?；w材料和堆焊材料力學(xué)性能如表1。2種材料的雙線性塑性公式輸入?yún)?shù)如表2。

表1 基體材料和堆焊材料力學(xué)性能

表2 ABAQUS中兩種材料屬性定義值

粘接的法向和切向彈性模量與普通鋼材一致。設(shè)置粘接極限破壞強(qiáng)度時(shí)考察可能出現(xiàn)的層間開(kāi)裂行為，假設(shè)法向粘接強(qiáng)度略低于Inconel 625材料的屈服強(qiáng)度，切向粘接強(qiáng)度為法向強(qiáng)度的1/2，其數(shù)值如表3。

表3 粘接強(qiáng)度參數(shù)

3.2 載荷與邊界條件

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為確保密封可靠性，在母接頭部位設(shè)計(jì)了2道密封溝槽，實(shí)際使用過(guò)程中起作用的主要是靠近內(nèi)側(cè)的1道密封，密封圈依靠溝槽底部平臺(tái)進(jìn)行支撐，密封溝槽頂面、底面、側(cè)面均承受內(nèi)壓作用。考慮到可能發(fā)生的首道密封溝槽意外泄漏問(wèn)題，對(duì)兩道密封溝槽同時(shí)承受腔體內(nèi)壓也進(jìn)行了分析計(jì)算。兩端的管端約束為軸向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移，放開(kāi)徑向自由度。

首先加載1.5倍額定壓力進(jìn)行試驗(yàn)，第2步是進(jìn)行卸載，如表4。

表4 載荷步載荷參數(shù)

3.3 有限元分析

有限元分析[12-13]得到的Von Mises等效應(yīng)力分布云圖如圖3所示。由圖3可以看出，堆焊Inconel 625合金的密封溝槽在試驗(yàn)壓力作用下承壓部位大部分已經(jīng)屈服，Inconel 625合金和基體材料4130之間出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力階躍現(xiàn)象。整體的最大應(yīng)力達(dá)到了517 MPa，顯示4130材料也出現(xiàn)了局部的屈服現(xiàn)象。

圖3 有限元分析得出的Von Mises應(yīng)力分布云圖

從圖3a和圖3c的對(duì)比可以看出，當(dāng)?shù)?道密封溝槽出現(xiàn)滲漏時(shí)，母接頭承壓范圍更廣，高應(yīng)力分布區(qū)域更廣，尤其是在密封溝槽底部區(qū)域，高應(yīng)力區(qū)更加靠近承壓件本體外表面。從圖3b和圖3d也可以看出，當(dāng)壓力只作用在第1道溝槽時(shí)，堆焊層殘余應(yīng)力分布范圍較小，應(yīng)力數(shù)值較??；除局部應(yīng)力集中點(diǎn)以外，殘余應(yīng)力在100 MPa以內(nèi)。當(dāng)壓力泄漏至第2道密封時(shí)，堆焊層殘余應(yīng)力分布范圍明顯增大，應(yīng)力數(shù)值也增大至180 MPa以上。

根據(jù)彈塑性厚壁圓筒理論[14]，隨厚壁圓筒內(nèi)部壓力增大，圓筒內(nèi)壁首先出現(xiàn)屈服，彈-塑性界面逐漸向外擴(kuò)展，只要未達(dá)到全厚度范圍材料屈服，圓筒依然具備足夠的承載能力。在本算例中，堆焊層在靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)的壓力下發(fā)生了屈服，基體材料內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)了局部屈服，但承壓件整體保持了完整性。

繪制沿熔合線路徑的Cohesive接觸面接觸應(yīng)力曲線，如圖4所示，考察堆焊層與本體的結(jié)合強(qiáng)度是否足夠。Cohesive模型為ABAQUS里面的粘接接觸模擬，允許存在接觸面間的拉、壓應(yīng)力。從圖4中可以看出，壓力作用的溝槽位置，堆焊層和本體之間互相擠壓，共同承受內(nèi)部壓力。但是，在承壓溝槽外側(cè)，因?yàn)闇喜鄢惺苊芊馊D壓力，有受壓“彎曲”的趨勢(shì)，堆焊層和本體之間存在1個(gè)拉應(yīng)力極值點(diǎn)。在本算例中，當(dāng)壓力僅作用在內(nèi)側(cè)密封時(shí)，此極值最大，但絕對(duì)值較小，約80 MPa，若兩道密封溝槽距離太近，此應(yīng)力繼續(xù)增大，可能導(dǎo)致堆焊層開(kāi)裂，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免。

圖4 堆焊熔合線路徑接觸(分離)應(yīng)力曲線

因?yàn)槎押附饘俚拇笠?guī)模屈服，在壓力卸載以后，母接頭存在永久變形。本算例中，若試驗(yàn)工況第1道密封泄漏，則在內(nèi)側(cè)密封面附近將會(huì)出現(xiàn)0.02 mm的永久變形，此永久變形會(huì)導(dǎo)致第1道密封的軸、孔間隙增大，可能導(dǎo)致密封圈擠出，如圖5所示。

圖5 殘余變形(試驗(yàn)壓力、第1道密封泄漏)

4 分析方法的驗(yàn)證

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司在南海八號(hào)平臺(tái)隔水管邊管維修工程中，按照傳統(tǒng)的厚壁圓筒理論分別對(duì)密封溝槽底部和頂部截面進(jìn)行分析計(jì)算[15]?？紤]到堆焊層力學(xué)性能弱于本體，忽略了堆焊層，僅考慮接頭本體材料承壓。校核結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)無(wú)法承受試驗(yàn)壓力。采用本文的方法重新進(jìn)行校核計(jì)算，結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠，允許進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)南海八號(hào)平臺(tái)的50條邊管進(jìn)行靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，表面堆焊耐蝕合金的邊管母接頭具備足夠的承載能力。本文所述的分析方法正確，可以應(yīng)用于表面堆焊異種材料的零部件內(nèi)壓強(qiáng)度校核。

圖6 南海八號(hào)平臺(tái)隔水管邊管試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

1) 表面堆焊耐蝕合金的雙金屬異形厚壁圓筒，理論計(jì)算和分析較為復(fù)雜。使用有限元軟件ABAQUS，引入雙線性彈-塑性模型和Cohesive接觸模型，可對(duì)此類型的問(wèn)題進(jìn)行分析。

2) 算例結(jié)果表明，在極高的內(nèi)部壓力作用下，堆焊材料出現(xiàn)屈服，卸載后出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力。但是，內(nèi)側(cè)屈服不會(huì)導(dǎo)致承壓件強(qiáng)度失效，仍具備保持內(nèi)部壓力的能力。材料模型中考慮塑性行為，能夠提升結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極限耐壓能力。

3) 可通過(guò)分析軟件后處理中的路徑分析工具得到堆焊結(jié)合面的接觸應(yīng)力分布曲線。根據(jù)試驗(yàn)得到的結(jié)合力工程常數(shù)，有助于判斷堆焊(或其他結(jié)合方式)是否存在開(kāi)裂的可能性。

4) 低屈服強(qiáng)度的堆焊層在極高的內(nèi)部壓力作用下可能產(chǎn)生徑向永久變形，對(duì)軸、孔密封間隙的設(shè)計(jì)存在影響。