不壓井裝置承載結構應力分析及強度評價

高加強，李法成，姜富陽，劉巨保，羅 敏

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田裝備制造集團研究院，黑龍江大慶163312） ①

不壓井裝置承載結構應力分析及強度評價

高加強1，李法成2，姜富陽1，劉巨保1，羅 敏1

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田裝備制造集團研究院，黑龍江大慶163312）①

承載結構是不壓井裝置的關鍵部件之一，也是保證不壓井裝置能夠正常工作的必要條件。根據承載結構的結構形式和承載特點建立了力學模型，對承載結構進行應力分析，并引入JB4732—1995標準中的應力分類方法，對承載結構進行強度評價，為復雜結構的強度評定提供參考。

不壓井裝置；承載結構；應力分析；強度評價

隨著國內老油氣田逐漸進入開采的中后期，傳統的壓井作業技術越來越不利于油氣資源的可持續開發。不壓井作業技術憑借其良好的安全性、可靠性、環保性和經濟性在油田的應用越來越廣泛［1］。隨著不壓井技術的深入研究，國內也開展了不壓井作業裝置的研制，并逐步推廣應用，取得了一定的成果，帶來了巨大的社會和經濟效益［2－7］。承載結構是不壓井作業裝置的支撐基礎，在工作中，不壓井作業裝置在起下油管時極容易發生局部塑性變形，導致承載結構失效。本文建立了不壓井裝置承載結構的力學模型，對其進行了應力分析，引入了JB4732—1995《壓力容器分析設計標準》［8］中的應力分類方法，對承載結構進行了強度評價，為復雜結構的強度評定［9］提供參考。

1 承載結構力學模型的建立

根據現場工作中承載結構的承載特點建立力學模型時，將承載結構簡化為一層平臺結構、二層平臺結構和支撐柱3大部件。其中一層平臺結構包括一層平臺板和一層平臺法蘭盤，二層平臺結構包括二層平臺板和液壓缸法蘭盤。

在建立承載結構力學模型時，假設各部件之間完全連接，故各部件之間的螺栓結構及螺栓預緊力作用都未予以考慮。不壓井裝置承載結構力學模型

如圖1。

圖1 承載結構力學模型

鑒于承載結構的特點，在建立相應力學模型時只考慮液壓缸對承載結構的載荷作用。選取液壓缸最大上提力作為承載結構的計算載荷，對承載結構進行計算。在計算過程中，將液壓缸最大作用力轉化為等效面載荷，平均施加到液壓缸的截面上。承載結構各部件材料為Q235，材料力學性能參數如表1。

表1 Q235材料力學性能參數

2 承載結構應力分析

在最大上提力作用下，承載結構整體應力分布如圖2，可知最大等效應力為391.0MPa，發生在一層平臺上。

圖2 承載結構整體應力分布

承載結構一層平臺等效應力分布如圖3，由圖可知最大等效應力為391.0MPa，發生在一層平臺板與一層平臺法蘭盤連接處。

圖3 承載結構一層平臺應力分

承載結構二層平臺等效應力分布如圖4，可知最大等效應力為262.4MPa，發生在二層平臺板螺栓孔處。

圖4 承載結構二層平臺應力分布

承載結構支撐柱等效應力分布如圖5，可知最大等效應力為142.2MPa，發生支撐柱根部。

圖5 承載結構支撐柱應力分布

最大上提力下承載結構各部件應力計算結果如表2。

表2 最大上提力下承載結構各部件應力計算結果

3 承載結構強度評價

由表2可見，在最大上提力下承載結構各部件中，除支撐柱外，其他部件最大應力都大于屈服強度，故采用應力分類方法來進行強度分析。在不壓井裝置承載結構中，在一層平臺板與法蘭盤連接的最大等效應力處沿平板厚度方向定義應力線性化處理［10］路徑A，應力線性化處理路徑A分布如圖6。在二層平臺板螺栓孔最大等效應力處沿平板厚度方向定義應力線性化處理路徑B，應力線性化處理路徑B分布如圖7。

圖6 應力線性化處理路徑A分布

圖7 應力線性化處理路徑B分布

在最大上提力下，路徑A各向應力沿路徑分布如圖8，可得路徑A上的主要應力為由彎曲引起的x方向應力，并且沿厚度方向上由表面向中間急劇減小。路徑A應力線性化處理結果如圖9，可得應力線性化處理路徑A的薄膜應力為97.2MPa，薄膜應力＋彎曲應力最大值為244.6MPa。在最大上提力下，路徑B各向應力沿路徑分布如圖10，可得路徑B上的主要應力為由彎曲引起的y方向應力，并且沿厚度方向上急劇減小。路徑B應力線性化處理結果如圖11，可得應力線性化處理路徑B的薄膜應力為107.7MPa，薄膜應力＋彎曲應力最大值為267.4MPa。

圖8 各向應力沿路徑A分布

圖9 路徑A應力線性化處理結果

圖10 各向應力沿路徑B分布

圖11 路徑B應力線性化處理結果

根據所選路徑位置和應力線性化處理結果可得，各路徑應力都是由于結構總體幾何不連續產生的，而且應力具有明顯的局部性和自限性。局部性表明這部分應力僅存在于結構不連續處的局部區域。自限性表明應力主要是因為在結構不連續處要使得變形協調而產生的，當應力達到屈服極限，使局部發生流動而使變形協調后，該局部的應力值也將不再升高。在最大上提力下將承載結構按JB4732—1995《壓力容器分析設計標準》進行應力強度評定，各線性化路徑評定結果應依次滿足如下條件：一次局部薄膜應力SⅡ≤1.5 Sm，薄膜＋彎曲應力SⅣ≤3 Sm。最大上提力下承載結構的應力強度評定結果如表3。由表3可得，在最大上提力下，承載結構的應力強度評定合格，故最大上提力下，承載結構能夠滿足強度要求。

表3 最大上提力下承載結構的應力強度評定結果

4 結論

1） 建立了承載結構的有限元分析模型，得到了承載結構在最大上提力下等效應力分布情況，分析了危險截面上各向應力沿厚度方向的變化及主要應力形式，并對危險截面上的應力做線性化處理，得出最大應力均小于許用應力，承載結構滿足強度要求。

2） 引入JB4732—1995《壓力容器分析設計標準》中的應力分類方法對復雜結構進行強度評價時，既能對應力集中區域的各向應力分布進行評估，也可以對危險截面上的應力進行分類評價，能比較全面評價復雜結構的強度，為復雜結構的強度評定提供參考。

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Stress Analysis and Strength Assessment of Bearing Structure of Snubbing Unit

GAO Jia－qiang1，LI Fa－cheng2，JIANG Fu－yang1，LIU Ju－bao1，LUO Min1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing，163318，China；2.Research Institute，Daqing Oilfield Equipment Manufacture Group，Daqing163312，China）

Load bearing structure is one of the key components of snubbing unit，and it＇s required for snubbing unit＇s normal operations.For these reasons，a mechanical model of bearing structure was established at the base of its structure and load characteristics，and a stress analysis was carried out and strength assessment of load bearing structure as well.The methods and processes of stress classification of the JB4732－95criteria were introduced.The results provided technical reference for the strength assessment of complex construction.

snubbing unit；bearing structure；stress analysis；strength assessment

1001－3482（2012）01－0033－04

TE934.2

A

2011－07－15

高加強（1987－），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為石油機械力學分析及應用，E－mail：gaojiaqiang111＠126.com。