Cameron結構的防噴器殼體有限元分析

肖力彤,宋振華,鄭 泳,黃鴻彥,肖欣榮

(1.四川石油管理局裝備制造公司,成都610051;2.南陽二機石油裝備(集團)有限公司,河南南陽473006)

Cameron結構的防噴器殼體有限元分析

肖力彤1,宋振華1,鄭 泳1,黃鴻彥2,肖欣榮2

(1.四川石油管理局裝備制造公司,成都610051;2.南陽二機石油裝備(集團)有限公司,河南南陽473006)

參考美國Cameron公司的閘板防噴器,所設計的殼體采用長圓形的閘板腔結構。利用Cosmosworks 2008有限元分析軟件計算單閘板防噴器殼體模型在額定工作壓力35 MPa和靜水壓力52.5 MPa工況條件下的應力分布及危險點,并按照ASME規范分析其應力組合,表明該設計是安全的。

防噴器;殼體;應力;有限元分析

Abstract:Referring to the structure of Cameron BOP,flashboard long circular cavity is used.Making use of finite element analysis of Cosmosworks 2008 to calculate the stress distribution and risk points of its casing at the working pressure of 35MPa and hydrostatic pressure of 52.5 MPa.Following to the stress combination analyzed by ASME,the designing is safe.

Key words:BOP;casing;stress;finite element analysis

鉆井用閘板防噴器是石油及天然氣鉆井工程中必備的設備,應具備有效封閉井口、防止鉆井時井噴以及處理其他復雜情況等功能,并且具備用液壓開關閘板的功能。其特點是操作方便,安全可靠,結構緊湊,既可在井內無鉆柱時關閉空井筒,又可在井內有鉆柱時關閉套管與鉆柱之間的環形空間。

殼體是閘板防噴器的主體,是承受高壓的重要零件。殼體中間有通過鉆具的垂直通孔及閘板水平運動的閘板腔室。殼體外部鑄有加強筋,既可減輕質量,又使結構應力分布合理,提高承載能力。閘板腔室底部制成便于泥沙流入井筒的傾斜面,而閘板被支撐在底部的支撐筋上,這有利于清除泥沙,減少開關阻力。側面導向筋限制閘板,使之對正井口。

閘板防噴器的殼體為合金鋼鑄造成型。其體積和質量較大,強度比鍛造的低,但制造容易,成本較低,并采用合理的熱處理工藝。美國Cameron公司的防噴器殼體是在350 000 kN水壓機上采用閉合模鍛壓成型,因而具備強度高、體積小、質量輕等特點。

采用Cosmosworks 2008分析軟件對該防噴器的承壓主殼體進行了有限元分析計算,給出了額定工作壓力和強度試驗壓力條件下的單元應力數值及云圖,并按照壓力容器規范對有限元計算結果進行分析和強度驗證,保障該防噴器設計的合理性和安全性。

1 結構設計

按照API Spec 16A對承壓件殼體材料的選用要求,選用25CrNiMo制造殼體,調質處理硬度為197～235 HB。確定防噴器的公稱通徑為?279.4 mm,額定工作壓力為35 MPa[1]后,按照強度和結構要求進行結構設計。為了方便防噴器的安裝與拆卸,殼體上、下部均采用法蘭結構的形式;為了提高殼體的力學性能,最大限度地降低閘板腔的應力集中,閘板腔選用長圓形結構。殼體的三維模型如圖1[1,3]。

圖1 殼體三維模型

2 有限元分析

采用有限元法對殼體進行力學分析計算,以確定防噴器在工作中是否滿足強度要求。按照靜水壓試驗條件和額定工作壓力下的單元數值及云圖,對殼體按API Spec 16A的標準進行分析和強度驗算。

2.1 材料性能參數

防噴器殼體選用25CrNiMo材料,經調質處理后,其力學性能參數如表1。

2.2 網格劃分

采用三維實體單元對防噴器殼體的簡化實體進行有限元網格劃分,并對承載面進行單元細分,共劃分123 868個節點,77 380個單元。有限元網格劃分如圖2。

2.3 約束與載荷條件

防噴器殼體有3個對稱面,且載荷也是對稱分布。對模型進行計算時,在對稱面上施加對稱邊界約束。同時,考慮2種受力狀態:①在試驗狀態,上下端的垂直通孔和兩側的1個長圓形通孔均用密封盲板覆蓋,擰緊螺栓,內腔加水壓至靜液壓力52.5 MPa(1.5倍的工作壓力);②在工作狀態下,額定工作壓力為35 MPa。如圖3～4。

圖2 殼體有限元網格劃分

圖3 殼體在52.5 MPa靜水壓力下的約束與載荷條件

表1 FZ28-35型防噴器殼體材料性能參數[3]

圖4 殼體在35 MPa額定工作壓力下的約束與載荷條件

2.4 計算結果分析

a) 在靜水壓試驗壓力載荷狀態下(52.5 MPa),殼體垂直通孔與長圓形通孔相貫的上壁應力達到298.8 MPa(如圖5),小于屈服極限517 MPa,不會發生塑性變形。實際上由于上端密封件以及兩側的密封盲板的作用,此處的應力明顯小于計算的單元應力。按照ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷第2分冊附錄4[2]ASME規范應力分類的理論,主殼體受內壓時,該處有凸曲的趨勢,承受較大的拉應力,且結構不連續,其最大應力點的等效應力是由一次薄膜應力σm、一次彎曲應力σw疊加而成的。對水壓試驗的容器,試驗應力下的強度條件為σm+σ≤1.35σs=697.95 MPa[4-5]。

計算值為σm+σw=298.8 MPa＜697.95 MPa,在靜水壓試驗壓力下,設計強度符合API規范。

圖5 殼體在52.5 MPa靜水壓力下的應力云圖

b) 在35 MPa額定工作壓力狀態下,最大應力發生在殼體垂直通孔與長圓形通孔相貫的上壁(如圖6),最大等效應力為180.5 MPa,小于屈服極限517 MPa,說明在35 MPa額定工作壓力下,殼體整體處于彈性狀態,此時用彈性模型對殼體進行求解是正確的,安全系數n=517/180.5=2.86。

圖6 殼體在35 MPa額定工作壓力下的應力云圖

3 結論

1) 閘板防噴器殼體的閘板腔采用長圓形截面,結構尺寸小、承壓能力強。殼體內腔采用鍍Ni處理,耐磨,耐腐蝕,壽命長;底部加工了流沙槽,避免了巖屑和泥沙的淤積,減小了閘板開關阻力。殼體、側門等的毛坯用真空精煉鋼錠整體鍛造,材質更純凈、組織更致密、性能更可靠。

2) 通過用Cosmosworks 2008軟件分析,找到了防噴器主殼體的薄弱環節,即垂直通道與閘板軌道相貫處,其原因是應力集中引起的。為了減小應力集中,最佳的方法就是將其圓弧處理,這樣不僅能解決問題,更重要的是在實際生產加工中也很容易實現。

3) 在靜水壓力52.5 MPa及額定工作壓力35 MPa下,運用有限元方法對關鍵受力構件進行應力分析,得到了構件的應力分布圖、應力集中點及最大、最小應力值,其強度的安全系數符合API的要求。

[1] API Spec 6A,Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].19版.2004.

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel code(SectionⅧ.Division 2)[S].SI Edition,1998.

[3] API Spec 16A,鉆通設備規范[S].3版.2004.

[4] 任克忍,盧韻皎,張永澤,等.雙閘板防噴器主殼體的有限元強度分析[J].石油礦場機械,2005,34(1):50-53.

[5] 張永澤,梁 政,蔣發光,等.復雜結構有限元分析強度判定方法[J].石油礦場機械,2009,38(5):5-8.

Finite Element Analysis of Casing with Cameron Structure BOP

XIAO Li-tong1,SONG Zhen-hua1,ZHENG Yong1,HUANG Hong-yan2,XIAO Xin-rong2
(1.Equipment Manuf acture Company,Sichuan Petroleum Administration Bureau,Chengdu610051,China;2.RG Petro-Machinery(Group)Co.,Ltd.,Nanyang473006,China)

TE921.502

A

1001-3482(2010)02-0038-03

2009-08-07

肖力彤(1964-),男,四川成都人,高級工程師,1985年畢業于西南石油大學石油礦場機械專業,現從事石油鉆采設備的管理與科研工作,E-mail:xiaolitong2000@sina.com。