水下油管懸掛器鎖緊結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析

孫傳軒，李中華，劉文霄，曾 喬，楊 超，劉啟蒙，王耀峰

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

水下油管懸掛器是水下采油樹(shù)上的關(guān)鍵部件之一，主要用來(lái)懸掛油管，提供油氣生產(chǎn)通道，為井底電控、液壓和化學(xué)劑注入提供接口及通道，密封油管與油層套管之間的環(huán)形空間，并承受井壓和安裝時(shí)的提升拉力[1]。由于水下油管懸掛器的工作壓力較高，目前主流產(chǎn)品一般達(dá)到69 MPa(10 000 psi)及以上[2-3]，因此，除要求其具有可靠的密封結(jié)構(gòu)外，還要求油管懸掛器能可靠的鎖定在水下井口或水下采油樹(shù)通徑腔體內(nèi)。

Bradley A A等[4]利用FEA軟件對(duì)水下采油樹(shù)的關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；韋卓等[5]利用Abaqus有限元軟件對(duì)3種不同的油管懸掛器鎖緊機(jī)構(gòu)在鎖緊過(guò)程中所受到的應(yīng)力進(jìn)行了分析；徐健等[6]對(duì)水下井口主要承壓部件之一的C形環(huán)進(jìn)行了強(qiáng)度校核；李濱等[7]對(duì)500 m水下油管懸掛器在不同工況下同時(shí)進(jìn)行了強(qiáng)度及疲勞壽命分析、模態(tài)分析和可靠性分析；程友祥等[8]對(duì)油管懸掛器安裝工具結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料參數(shù)和載荷因素等參量的不確定性進(jìn)行了研究。目前，學(xué)者大多是針對(duì)水下油管懸掛器某一零件的力學(xué)性能開(kāi)展了分析研究[9-14]，且由于C型鎖環(huán)及壓緊套型面的不同，分析結(jié)果存在較大差異。本文采用Abuqus軟件建立了水下油管懸掛器鎖緊結(jié)構(gòu)完整的有限元模型，向壓緊套施加了向下的位移載荷，采用Explicit顯式求解方法[15]完成油管懸掛器鎖緊過(guò)程的模擬計(jì)算，并將分析結(jié)果與API 6A標(biāo)準(zhǔn)中的判定準(zhǔn)則進(jìn)行比較，保證了水下油管懸掛器鎖緊結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 水下油管懸掛器結(jié)構(gòu)及材料屬性

1.1 油管懸掛器結(jié)構(gòu)

水下油管懸掛器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含懸掛器本體、壓緊套、提升環(huán)、C型鎖環(huán)、座放臺(tái)階、油管柱和組合密封等。懸掛器本體內(nèi)設(shè)有生產(chǎn)通道、環(huán)空通道和電/液穿越通道等。生產(chǎn)通道用于油氣介質(zhì)的產(chǎn)出，環(huán)空通道主要用于泄放油管柱與生產(chǎn)套管間的壓力或介質(zhì)，電/液穿越通道主要為井下控制對(duì)象提供液壓動(dòng)力，并傳輸電力或電信號(hào)。當(dāng)油管懸掛器及油管柱坐放到水下井口裝置或水下采油樹(shù)通徑內(nèi)之后，坐放臺(tái)階承載整個(gè)組件的重力，組合密封與外部設(shè)備內(nèi)壁接觸，密封生效。為使油管懸掛器狀態(tài)保持，需要利用下入工具推動(dòng)壓緊套下移，壓緊套下端深入到C型鎖環(huán)內(nèi)壁處并將其撐開(kāi)，C型鎖環(huán)發(fā)生形變，卡入到外部設(shè)備內(nèi)壁的對(duì)應(yīng)型面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)懸掛器的鎖定。

1.2 主要材料屬性

水下油管懸掛器的主要零件材料屬性如表1。井口頭采用合金鋼，屈服強(qiáng)度≥552 MPa，鎖緊結(jié)構(gòu)的各組件均采用不銹鋼(含沉淀硬化不銹鋼)，其中懸掛器本體的屈服強(qiáng)度≥518 MPa，C型卡環(huán)和壓緊套的屈服強(qiáng)度≥1 000 MPa，各零件的彈性模量和泊松比均相同。

圖1 水下油管懸掛器結(jié)構(gòu)模型

表1 各零件材料及力學(xué)性能參數(shù)

2 鎖緊結(jié)構(gòu)有限元模型建立

實(shí)際作業(yè)中，油管懸掛器坐放在套管懸掛器上，本文主要關(guān)注油管懸掛器C型鎖環(huán)與井口頭鎖緊型面間的應(yīng)力狀況，不對(duì)套管懸掛器進(jìn)行應(yīng)力分析。因此，將井口頭和套管懸掛器視為整體，僅考慮油管懸掛器C型鎖環(huán)和壓緊套部分，忽略其它零部件，如圖2所示，以便于計(jì)算。本計(jì)算分析模型整體坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于油管懸掛器本體中心。

圖2 簡(jiǎn)化后的油管懸掛器分析模型

2.1 載荷與邊界條件

由于油管懸掛器重力較大，在鎖緊分析中需考慮各部件承受的重力載荷。在井口頭底部施加固定約束，油管懸掛器上的臺(tái)階面坐放到井口頭內(nèi)對(duì)應(yīng)的型面上，對(duì)壓緊套頂面施加向下的位移載荷(54 mm)。其載荷與邊界條件如圖3所示。

圖3 油管懸掛器和井口頭邊界條件及載荷施加

2.2 接觸設(shè)置

油管懸掛器本體坐放在井口頭內(nèi)的臺(tái)階上，將油管懸掛器和井口頭接觸的臺(tái)階面施加綁定(Tie)約束，如圖4所示。

圖4 懸掛器本體與井口頭間綁定約束施加

實(shí)際工況下，油管懸掛器本體、井口頭、壓緊套與C型鎖環(huán)之間均存在面接觸，故在分析模型中分別設(shè)置各組面的接觸關(guān)系，并設(shè)定其摩擦因數(shù)為0.1，如圖5所示。

圖5 各零件之間的接觸面設(shè)置

2.3 單元類(lèi)型

水下油管懸掛器及井口頭整體采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，C型鎖環(huán)、壓緊套及井口頭三者相互接觸部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密，共計(jì)生成節(jié)點(diǎn)128 722個(gè)，單元111 295個(gè)，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖6所示，圖7為局部網(wǎng)格加密位置。

圖6 網(wǎng)格劃分后的有限元模型

圖7 局部網(wǎng)格加密位置

3 關(guān)鍵承力件應(yīng)力和應(yīng)變分析

3.1 判定準(zhǔn)則

根據(jù)API 6A[3]規(guī)范，在額定工作載荷的工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿(mǎn)足以下條件：

Pm≤1.0Sm

(1)

Pm+Pb≤1.5Sm

(2)

試驗(yàn)載荷下應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足下列條件：

Pm≤1.0ST

(3)

Pm+Pb≤1.5ST

(4)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

油管懸掛器、C型卡環(huán)在壓緊套作用下，最終鎖緊在井口頭上，各零件應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，來(lái)自壓緊套頂端的作用力，通過(guò)其自身傳導(dǎo)至底端錐面，并與C型卡環(huán)接觸，使卡環(huán)受力沿徑向撐開(kāi)，卡入井口頭內(nèi)腔型面中，應(yīng)力值較大的區(qū)域位于C型卡環(huán)內(nèi)、外徑表面處，最大Mises應(yīng)力達(dá)643.2 MPa。

圖8 整體應(yīng)力云圖

為了準(zhǔn)確分析油管懸掛器鎖緊結(jié)構(gòu)中各零件的受力情況，單獨(dú)提取了各零件云圖，并根據(jù)校核準(zhǔn)則，對(duì)各零件進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，如圖9～12。

1) 針對(duì)井口頭，其最大應(yīng)力值為156.5 MPa，出現(xiàn)在C型鎖環(huán)對(duì)應(yīng)的第2道鎖緊槽上沿，該區(qū)域與C型鎖環(huán)接觸并提供鎖緊反向作用力，分析結(jié)果符合受力工況(如圖9)。沿鎖槽壁厚方向的一次薄膜應(yīng)力Pm=120.3 MPa，一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力Pm+Pb=140.8 MPa，由判定準(zhǔn)則可知：

井口頭強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)中的判定準(zhǔn)則要求。

圖9 井口頭應(yīng)力云圖

2) 針對(duì)C型鎖環(huán)，其最大應(yīng)力值為643.2 MPa，出現(xiàn)在第2道鎖緊凸面上邊緣。該型面與井口頭的最大應(yīng)力值所在型面接觸配合，二者相互作用，限制C型鎖環(huán)上移，分析結(jié)果符合受力工況(如圖10)。沿壁厚方向的一次薄膜應(yīng)力Pm=389.2 MPa，一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力Pm+Pb=472.7 MPa，由判定準(zhǔn)則可知：

C型鎖環(huán)強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)中的判定準(zhǔn)則要求。

圖10 C型卡環(huán)應(yīng)力分布云圖

3) 針對(duì)壓緊套，其最大應(yīng)力值為426.9 MPa，出現(xiàn)在壓緊套下端外錐面上，該區(qū)域與C型鎖環(huán)內(nèi)徑型面接觸并相互擠壓作用，產(chǎn)生的應(yīng)力較大，分析結(jié)果符合受力工況(如圖11)。沿壓緊套壁厚方向的一次薄膜應(yīng)力Pm=363.1 MPa，一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力Pm+Pb=418.6 MPa，由判定準(zhǔn)則可知：

壓緊套強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)中的判定準(zhǔn)則要求。

圖11 壓緊套應(yīng)力分布云圖

4) 針對(duì)油管懸掛器本體，其最大應(yīng)力值為234.6 MPa，出現(xiàn)在C型鎖環(huán)底端座放的臺(tái)階平面上，C型鎖環(huán)通過(guò)該接觸面為懸掛器本體提供向下的鎖緊作用力，分析結(jié)果符合受力工況(如圖12)。

圖12 油管懸掛器本體應(yīng)力云圖

沿臺(tái)階接觸面壁厚方向的一次薄膜應(yīng)力Pm=198.3 MPa，一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力Pm+Pb=223.5 MPa，由判定準(zhǔn)則可知：

油管懸掛器本體強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)中的判定準(zhǔn)則要求。

由分析結(jié)果可知，井口頭、油管懸掛器本體、C型卡環(huán)、壓緊套的一次薄膜應(yīng)力Pm、一次薄膜應(yīng)力Pm+彎曲應(yīng)力Pb均小于許用值(如表2所示)，因此，油管懸掛器鎖緊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 鎖緊結(jié)構(gòu)各零件的應(yīng)力值

4 加工和試驗(yàn)情況

通過(guò)承擔(dān)國(guó)家及中石油集團(tuán)公司項(xiàng)目，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司已完成了深水油管懸掛器樣機(jī)的試制(如圖13所示)。試驗(yàn)大綱依據(jù)API 17D及API 6A標(biāo)準(zhǔn)制訂，并對(duì)鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果符合大綱要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的正確性。水下油管懸掛器的成功試制有力保證了水下采油樹(shù)整機(jī)的研制和試驗(yàn)進(jìn)度，對(duì)加快產(chǎn)品市場(chǎng)推廣和產(chǎn)業(yè)化步伐具有重要意義。

圖13 深水采油樹(shù)油管懸掛器樣機(jī)

5 結(jié)論

1) 本文利用ABAQUS軟件建立了水下油管懸掛器鎖緊結(jié)構(gòu)有限元模型，設(shè)置了載荷與邊界條件、接觸對(duì)和單元類(lèi)型，并賦予材料屬性。采用Explicit顯式求解方法，完成油管懸掛器鎖緊過(guò)程的模擬計(jì)算，得到了各零件的應(yīng)力分布狀態(tài)。通過(guò)與API 6A標(biāo)準(zhǔn)中的判定準(zhǔn)則對(duì)比，確定鎖緊結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，為水下油管懸掛器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)、應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

2) 水下油管懸掛器鎖緊過(guò)程中，C型卡環(huán)和壓緊套所承受的應(yīng)力較大，而井口頭和油管懸掛器本體所承受的應(yīng)力相對(duì)較小，在通過(guò)均值化得到的一次薄膜應(yīng)力Pm、一次薄膜應(yīng)力Pm+彎曲應(yīng)力Pb上也體現(xiàn)了這一受力特點(diǎn)，因而，在C型卡環(huán)和壓緊套厚度受限的條件下，選擇高強(qiáng)度合金鋼或沉淀硬化不銹鋼作為加工材料較為適宜。為防止接觸面因局部高應(yīng)力而失效，可采用離子氮化等方式予以表面增強(qiáng)。