壓縮天然氣高壓儲(chǔ)氣井局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及疲勞壽命評(píng)估

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(1. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070； 2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司, 上海 201518； 3.上海石油化工換熱設(shè)備工程技術(shù)研究中心， 上海 201518；4.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

儲(chǔ)氣井多建在交通要道和居民區(qū)等人口密集的場(chǎng)所，一旦發(fā)生事故將直接危及人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1-5]。儲(chǔ)氣井已被納入特種設(shè)備安全監(jiān)管體系，并按III類壓力容器進(jìn)行管理，所以其設(shè)計(jì)和制造應(yīng)充分考慮各種失效模式并制定有效的預(yù)防措施。SY/T 6535—2002《高壓氣地下儲(chǔ)氣井》[6]中提出了疲勞循環(huán)次數(shù)要求、扭矩要求與密封形式，API SPEC 5B(第16版)[7]給出了儲(chǔ)氣井的井管與接箍之間、井筒與井口裝置之間、井筒與井底裝置之間的圓螺紋連接要求。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)儲(chǔ)氣井展開(kāi)了許多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。宋成立等[8]針對(duì)套管與管箍螺紋連接特點(diǎn)，通過(guò)ANSYS建立接觸單元模型，獲得該部位的應(yīng)力值，確定該部位的疲勞壽命。段志祥等[9]對(duì)井筒水泥固定前和固定后實(shí)施了應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明固井后的環(huán)向應(yīng)力最多下降16%，與理論分析結(jié)果基本一致，為井筒設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)提供參考。傅偉等[10]通過(guò)施加循環(huán)壓力，對(duì)儲(chǔ)氣井的抗疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。其他學(xué)者對(duì)儲(chǔ)氣井的筒體和螺紋進(jìn)行了研究，這些研究為應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣井提供了具體參考[11-14]。

目前關(guān)于儲(chǔ)氣井進(jìn)排氣接頭、密封堵頭等不連續(xù)危險(xiǎn)部位的研究較少。這些部位局部薄膜應(yīng)力較小但總體應(yīng)力值卻較高，容易發(fā)生疲勞破壞。文中結(jié)合地下儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)特性及工程要求，對(duì)某加氣站壓縮天然氣(CNG)儲(chǔ)氣井進(jìn)排氣接頭和密封堵頭這2個(gè)結(jié)構(gòu)不連續(xù)危險(xiǎn)部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并對(duì)最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。

1 CGN高壓儲(chǔ)氣井主要設(shè)計(jì)參數(shù)

某加氣站CNG高壓儲(chǔ)氣井總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1a。CNG儲(chǔ)氣井主要由套管、管箍、底部裝置、進(jìn)排氣接頭(圖1b)、密封堵頭(圖1c)和上下法蘭等部件組成， 其中套管尺寸為?244.48 mm×11.99 mm，深度約258 m。密封堵頭與進(jìn)排氣接頭的材料為35CrMoIII，其抗拉強(qiáng)度Rm為620 MPa, 下屈服強(qiáng)度ReL為552 MPa, 材料許用應(yīng)力Sm取Rm/2.6和ReL/1.5 的最小值，最終Sm取238 MPa。地下水和有害氣體對(duì)設(shè)備的外腐蝕不可忽略, 綜合考慮, 儲(chǔ)氣井部件腐蝕裕量取1.0 mm。

圖1 CNG高壓儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 CNG高壓儲(chǔ)氣井局部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

2.1 密封堵頭

密度堵頭為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，載荷加載與位移邊界條件也為軸對(duì)稱形式，在有限元模型中，建立軸對(duì)稱平面力學(xué)模型，見(jiàn)圖2。

圖2 CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭力學(xué)模型

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭建模，以錐螺紋和底部封頭相連的接頭為位移邊界，在接頭表面有Δx=Δy=Δz=0。采用8節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元(PLANE183)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為440，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 415。CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭網(wǎng)格劃分及線性化路徑見(jiàn)圖3。

圖3 CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭網(wǎng)格劃分及線性化路徑

圖3中性化路徑A-A從密封堵頭應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)處選擇，選定云圖中的密封堵頭圓弧過(guò)渡區(qū)最大應(yīng)力點(diǎn)，沿著壁厚方向的最短垂直距離設(shè)定應(yīng)力線性化路徑。

2.2 進(jìn)排氣接頭

進(jìn)排氣接頭的結(jié)構(gòu)屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，載荷加載與位移邊界條件也為軸對(duì)稱形式，在有限元模型中，建立1/4立體力學(xué)模型，見(jiàn)圖4。

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)CNG高壓儲(chǔ)氣井進(jìn)排氣接頭建模。進(jìn)排氣接頭通過(guò)錐螺紋與上封頭連接在局部柱坐標(biāo)系下，約束接頭下表面的軸向與環(huán)向位移，并對(duì)接頭軸向橫截面上施加對(duì)稱約束。采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元SOLID186進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為16 435，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為62 794。CNG高壓儲(chǔ)氣井進(jìn)排氣接頭網(wǎng)格劃分及線性化路線見(jiàn)圖5。

圖5中線性化路徑B-B在進(jìn)排氣接頭應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)處選擇，選定云圖中的進(jìn)排氣接頭螺栓孔下邊緣與內(nèi)壁交點(diǎn)處的最大應(yīng)力點(diǎn)，沿著壁厚方向的最短垂直距離設(shè)定應(yīng)力線性化路徑。

3 CNG高壓儲(chǔ)氣井局部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

3.1.1密封堵頭

在密封堵頭內(nèi)表面施加內(nèi)壓pc=25 MPa，得到的設(shè)計(jì)工況下CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6，密封堵頭A-A截面的線性化應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖6 CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭應(yīng)力分布云圖

圖7 密封堵頭A-A截面線性化應(yīng)力分布

由圖6和圖7可看出，壓力載荷作用下密封堵頭應(yīng)力最大點(diǎn)位于內(nèi)壁圓滑過(guò)渡處，最大應(yīng)力值為344.04 MPa，一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ=68.6 MPa， 一次應(yīng)力+二次應(yīng)力SⅣ=146.78 MPa。

3.1.2進(jìn)排氣接頭

在進(jìn)排氣接頭內(nèi)表面施加內(nèi)壓pc=25 MPa，得到的設(shè)計(jì)工況下CNG高壓儲(chǔ)氣井進(jìn)排氣接頭應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖8。取最大應(yīng)力處的節(jié)點(diǎn)到外側(cè)一節(jié)點(diǎn)為強(qiáng)度評(píng)定路徑B-B，進(jìn)排氣接頭B-B截面線性化應(yīng)力分布見(jiàn)圖9。

圖8 CNG高壓儲(chǔ)氣井進(jìn)排氣接頭應(yīng)力分布云圖

圖9 進(jìn)排氣接頭B-B截面線性化應(yīng)力分布

由圖8和圖9可以看出，壓力載荷作用下進(jìn)排氣接頭的應(yīng)力最大點(diǎn)位于開(kāi)孔與內(nèi)壁交匯處，最大應(yīng)力值為197.53 MPa。一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ=136.52 MPa，一次應(yīng)力+二次應(yīng)力SⅣ=177.83 MPa。

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

從上述應(yīng)力線性化的結(jié)果可以看出，線性化值相對(duì)較高處為應(yīng)力集中導(dǎo)致，應(yīng)力集中大多由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生。對(duì)于疲勞容器，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處盡量要采取圓滑過(guò)渡，這樣可以在一定程度上提高部件的使用壽命。

35CrMoIII鍛件的許用應(yīng)力Sm為238 MPa，根據(jù)JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]的強(qiáng)度準(zhǔn)則規(guī)定，一次局部薄膜應(yīng)力應(yīng)小于1.5Sm=357 MPa，一次應(yīng)力+二次應(yīng)力應(yīng)小于3Sm=714 MPa。密封堵頭和進(jìn)排氣接頭強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 密封堵頭和進(jìn)排氣接頭線性化及應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

4 CNG高壓儲(chǔ)氣井疲勞壽命評(píng)估

疲勞破壞常發(fā)生在應(yīng)力集中的位置，上述有限元計(jì)算表明，該CNG高壓儲(chǔ)氣井的應(yīng)力最大點(diǎn)位于密封堵頭內(nèi)壁圓滑過(guò)渡處，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。

已知該設(shè)備工作壓力為5～20 MPa，即Δp=15 MPa。根據(jù)圖7，p=25 MPa時(shí)，密封堵頭的總應(yīng)力最大值Smax為344.04 MPa。在僅施加壓力載荷的情況下，密封堵頭結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)處的應(yīng)力值與所施加的壓力值成線性關(guān)系，則在Δp=15 MPa時(shí)考察點(diǎn)的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Salt=0.5SmaxΔp/p=103.212 MPa。按JB 4732—1995附錄C中圖C-1查到的彈性模量E=2.1×105對(duì)Salt進(jìn)行修正，溫度修正后的交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Salt′=SaltE/Et=106.248 MPa, 應(yīng)用JB 4732—1995中表C-1中公式計(jì)算可得允許循環(huán)次數(shù)N1=1.81×105，此值大于儲(chǔ)氣井的設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)n1=2.5×104，因此可判斷儲(chǔ)氣井疲勞校核合格。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)CNG高壓儲(chǔ)氣井密封堵頭和進(jìn)排氣接頭進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析和應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。分析結(jié)果表明，儲(chǔ)氣井不連續(xù)結(jié)構(gòu)部位的局部薄膜應(yīng)力很小，但總應(yīng)力卻比較高，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)予以充分考慮。有限元分析可減少疲勞容器設(shè)計(jì)的盲目性，利于保證設(shè)備安全性的同時(shí)又可節(jié)約材料。本文分析結(jié)果可為后續(xù)儲(chǔ)氣井的設(shè)計(jì)、制造及使用提供參考。