水下閘板防噴器裝配體疲勞壽命分析

陳文科，徐立新，祝傳鈺，繆 宸，袁 遠

（招商局海洋裝備研究院有限公司，江蘇 海門 226100）

0 引言

近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，石油等能源的開采已從陸地延伸到深海，現(xiàn)有的深水鉆井船和半潛式鉆井平臺能在超過3000m水深的海底進行鉆探開采作業(yè)。水下閘板防噴器是深海鉆井系統(tǒng)中保證鉆井安全作業(yè)的重要設(shè)備，通常安裝在海底井口上，作用是密封井內(nèi)的高壓，控制鉆井的壓力，當發(fā)生井噴事故時，可在較短的時間內(nèi)切斷鉆桿，完成封井操作。防噴器在鉆井作業(yè)期間會頻繁地進行加壓和泄壓操作，形成的壓力循環(huán)會使其承壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，隨著時間的推進，有可能發(fā)生疲勞破壞。

在設(shè)計水下閘板防噴器時，通常會單獨對殼體、側(cè)門等主要承壓部件進行疲勞分析，很少考慮防噴器裝配體裝配過程中的接觸和預(yù)緊力影響，邊界約束也不準確，具有一定的局限性。對此，本文利用有限元分析軟件ANSYS對井口壓力為103MPa的水下閘板防噴器裝配體進行建模，同時考慮各部件間的摩擦接觸和螺栓連接的預(yù)緊力影響。通過對裝配體在額定工作壓力下的應(yīng)力進行分析，基于美國ASME規(guī)范[1]的S-N曲線對防噴器裝配體承壓結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行分析預(yù)報，判斷設(shè)計是安全的。

1 防噴器有限元分析

1.1 裝配體建模

水下閘板防噴器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造滿足美國ASME Ⅷ-2[1]和API SPEC 16A[2]的要求，配備有針對不同直徑鉆桿的剪切閘板，可在45s內(nèi)剪切鉆桿，完成封井作業(yè)。該型閘板防噴器的額定工作壓力為103MPa；最大工作水深為3000m，海水靜壓為30.75MPa；液壓測試工況下的試驗壓力為155MPa。防噴器內(nèi)部通常采用堆焊耐腐蝕合金的方式對與油氣有接觸的結(jié)構(gòu)進行保護，而外部鋼結(jié)構(gòu)采用犧牲陽極外加防腐涂料的方式進行保護。因此，在設(shè)計防噴器結(jié)構(gòu)時通常無需考慮腐蝕對結(jié)構(gòu)強度和疲勞的影響。

防噴器裝配體模型采用三維建模軟件SolidWorks構(gòu)建，并將其導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中進行簡化處理，將模型中的細小倒角、液壓通道和不重要的附屬件移除。有限元網(wǎng)格模型采用四面體單元、楔形體單元和六面體單元的混合網(wǎng)格，裝配體模型共有1661823個節(jié)點、460658個單元。水下閘板防噴器裝配體三維模型見圖1，有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖1 水下閘板防噴器裝配體三維模型

圖2 水下閘板防噴器裝配體有限元網(wǎng)格模型

1.2 材料參數(shù)

防噴器殼體、側(cè)門、液壓缸和端蓋等承壓結(jié)構(gòu)均采用屈服極限為517MPa的材料，其性能參數(shù)見表1。

表1 水下閘板防噴器材料性能參數(shù)

1.3 裝配和約束條件

裝配體模型采用螺栓連接，模型中的螺栓和螺桿連接采用梁單元模擬，便于在梁單元上施加螺栓預(yù)緊力。防噴器殼體、側(cè)門、液壓缸和端蓋之間采用摩擦接觸條件，摩擦因數(shù)為0.13。裝配體模型的約束設(shè)在防噴器下部的盲法蘭上，模型中同時約束法蘭端面的垂向位移和法蘭螺栓孔擠壓面的水平位移。

1.4 載荷環(huán)境

在ANSYS Workbench中構(gòu)建2個載荷環(huán)境。

1) 載荷環(huán)境1：重力加速度9.81m/s2、螺栓預(yù)緊力和殼體外表面海水靜壓30.75MPa。

2) 載荷環(huán)境2：重力加速度9.81m/s2、螺栓預(yù)緊力和殼體外表面海水靜壓30.75MPa及內(nèi)腔額定工作壓力103MPa。

1.5 應(yīng)力結(jié)果分析

根據(jù)計算，載荷環(huán)境1下裝配體模型的最大等效應(yīng)力為430.6MPa，載荷環(huán)境2下裝配體模型的最大等效應(yīng)力為459.2MPa，均滿足API SPEC 16A[2]推薦的基于畸變能理論的強度校核要求，即最大等效應(yīng)力不大于材料屈服強度。這說明該型水下閘板防噴器在額定工況下具有足夠的強度，應(yīng)力強度條件滿足要求。

2 疲勞壽命分析

防噴器可看作高壓容器，其疲勞計算可按ASME Ⅷ-2[1]推薦的疲勞分析方法進行。根據(jù)有限元分析[3]得到的交變應(yīng)力幅，結(jié)合ASME Ⅷ-2推薦的S-N曲線（S為作用應(yīng)力范圍；N為交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)），計算整個工作期限內(nèi)允許的總循環(huán)承壓次數(shù)，預(yù)測疲勞壽命。

2.1 S-N曲線

材料的疲勞性能用S與N的關(guān)系描述[4]。S-N曲線上的任意一點都可看作恒定應(yīng)力范圍S與交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N組成的數(shù)據(jù)對，表示當S達到N時，該應(yīng)力范圍S將導(dǎo)致材料疲勞破壞。S-N曲線通常是根據(jù)材料的疲勞試驗測定的數(shù)據(jù)得到的。由于防噴器可看作是一種高壓容器，同時各部件均為鍛件，無鑄造缺陷，沒有焊接接頭，故可采用ASME Ⅷ-2推薦的光桿試件S-N曲線對防噴器進行疲勞計算。

ASME Ⅷ-2引入S-N曲線時先將最佳擬合曲線按最大平均應(yīng)力修正，然后取N=20，應(yīng)力幅取2的安全系數(shù)，取二者中的小值得到設(shè)計疲勞曲線，從而進一步提高S-N曲線在工程設(shè)計中的安全裕度。

安全系數(shù)取20是考慮到數(shù)據(jù)分散度為2.0，尺寸因素為2.5，表面粗糙度和環(huán)境因素為4.0，三者相乘等于20。

ASME Ⅷ-2附錄3-F中以多項函數(shù)的方式提供了光桿的設(shè)計疲勞曲線。設(shè)計循環(huán)次數(shù)N可基于應(yīng)力幅值Sa計算得出，計算式為

式(1)～式(3)中：C1～C11為光桿設(shè)計疲勞曲線的公式常數(shù)，其取值可參考表2；Cus為當應(yīng)力單位為ksi時的單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；EFC為用于確定設(shè)計疲勞曲線的材料彈性模量；ET為平均溫度下被評定的材料彈性模量。

表2 ASME Ⅷ-2設(shè)計疲勞曲線公式常數(shù)

根據(jù)式(1)～式(3)擬合得到的設(shè)計S-N曲線見圖3。

圖3 ASME Ⅷ-2推薦的S-N曲線

2.2 疲勞分析評估

對于防噴器裝配體模型而言，只有內(nèi)腔會因井口壓力變化而出現(xiàn)頻繁的加壓和泄壓過程，產(chǎn)生脈動循環(huán)的交變應(yīng)力，而裝配體上因螺栓預(yù)緊力而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力和因工作環(huán)境而產(chǎn)生的靜水壓力是恒定不變的固定荷載。在ANSYS中，對于這種靜力載荷和動態(tài)載荷的疊加作用，需采用Fatigue Tool模塊進行非比例載荷疲勞壽命分析。ANSYS Workbench環(huán)境下的非比例載荷疲勞分析需用2個加載環(huán)境取代單一的加載環(huán)境，在進行疲勞壽命分析時，用2個載荷環(huán)境的計算應(yīng)力值確定應(yīng)力范圍。裝配體模型通過載荷環(huán)境1和載荷環(huán)境2計算得到的最大交變應(yīng)力幅為302.9MPa（見圖4）。

圖4 水下閘板防噴器交變應(yīng)力幅云圖

假設(shè)防噴器每次都在額定工作壓力下滿負載工作，結(jié)合S-N曲線即可計算得到防噴器各位置的承壓次數(shù)，即疲勞壽命。本文計算得到的水下閘板防噴器的承壓次數(shù)分布云圖見圖5。防噴器承壓次數(shù)為13288次。API SPEC 16A和ASME Ⅷ-2均未對防噴器的判廢有明確的要求，但國內(nèi)的《防噴器檢查和維修》（SY/T 6160—2014）[6]對井控設(shè)備的報廢有明確規(guī)定。當防噴器出廠時間滿16a時，將強制報廢。按照每年100次開關(guān)防噴器試壓計算，防噴器的最大承壓次數(shù)為1600次，本文分析的水下閘板防噴器的疲勞壽命為13288次承壓循環(huán)，遠高于標準的要求。

圖5 水下閘板防噴器承壓次數(shù)分布云圖

3 結(jié) 語

本文通過有限元分析軟件ANSYS對水下閘板防噴器裝配體的額定工作工況進行了應(yīng)力分析，并按API SPEC 16A推薦的強度分析方法進行了應(yīng)力強度校核，結(jié)果表明該防噴器的設(shè)計滿足強度要求。在此基礎(chǔ)上，依照ASME Ⅷ-2推薦的疲勞曲線對防噴器裝配體的疲勞壽命進行了計算，得到了防噴器在滿負荷工作時的最小可承壓循環(huán)次數(shù)，遠高于國內(nèi)行業(yè)標準對井控設(shè)備的報廢要求，說明防噴器在正常工作情況下很難發(fā)生疲勞破壞，疲勞壽命并不是防噴器設(shè)計的制約條件，在防噴器初始設(shè)計與優(yōu)化階段可不作過多關(guān)注。