水下油管懸掛器貫穿液路測試工具有限元強度分析

孫傳軒，張青鋒，劉啟蒙，萬春燕，袁　潔

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)*

?

水下油管懸掛器貫穿液路測試工具有限元強度分析

孫傳軒1，2，張青鋒1，劉啟蒙1，2，萬春燕1，2，袁潔1，2

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)*

摘要：貫穿液路測試工具是水下油管懸掛器工廠驗收試驗所需的配套工具之一。由于其工作時需承受高壓，為保證性能安全，分析了該工具的關鍵承力件，并建立有限元模型。開展了3種承壓工況下的模擬計算，得到連接螺釘和緊固套上的最大應力、應變值，并根據API RP 17G和API 6A標準，對測試工具的強度和可靠性進行評估。最終確定了不同液壓載荷下可同時加壓的液壓接頭數量及組合方式，為貫穿液路測試工具的設計開發和使用操作提供指導。

關鍵詞：水下；油管懸掛器；測試工具；貫穿；液路；有限元分析

油管懸掛器是采油樹的關鍵組成部分[1]，而貫穿液路測試工具是水下油管懸掛器的關鍵配套工具之一，主要用于水下油管懸掛器的工廠驗收試驗(FAT)，對油管懸掛器液壓貫穿液路進行注液清洗和耐壓試驗。由于水下油管懸掛器的工作壓力較高，而測試工具的工作壓力一般要求達到試驗對象的1.5倍[2-3]，因此，要求測試工具強度高、耐壓性能可靠。

為了在理論上驗證貫穿液路測試工具的結構完整性，采用有限元分析軟件Abuqus對其關鍵零、部件進行了強度分析，分別在103.5 MPa(工具額定工作壓力)和155.3 MPa(工具試驗壓力)2種工況壓力下對測試工具的受力變形情況進行了建模計算。將強度分析結果與API相關標準中的判定準則進行比較，并提出了能夠保證測試工具性能安全的正確的加壓方式。

1貫穿液路測試工具結構及材料屬性

1.1測試工具結構

貫穿液路測試工具結構如圖1所示，主要包含8組驅動機構、緊固套和液壓接頭，4個連接螺釘，1個支撐架、固定板和試驗基板等。液壓接頭由可水下插拔的公、母接頭構成，接頭在斷開狀態下均可實現自密封；驅動機構用于控制液壓公、母接頭的接合和斷開；支撐架用于工具的貯放，并作為把手；固定板和緊固套是其他零部件裝配的載體；試驗基板是液壓母接頭的安裝載體，并提供液壓孔路；連接螺釘用于將測試工具安裝到水下油管懸掛器或試驗基板上。圖2為液壓公接頭的密封直徑，該直徑所在截面為液壓載荷作用的有效截面。

圖1　貫穿液路測試工具結構模型

圖2　液壓公接頭的密封直徑

1.2主要材料屬性

貫穿液路測試工具的主要零件材料屬性如表1。在有限元建模過程中，除定義材料的線彈性力學性能外，還定義了材料塑性性能。假設材料為理想塑性，即材料不發生硬化[4]。

表1　測試工具主要零件材料屬性

2關鍵承力件有限元模型建立

由于貫穿液路測試工具液壓接頭內的液壓力主要由緊固套、固定板和連接螺釘傳遞，故主要針對以上承力件進行有限元建模分析。為提高計算效率，對以上承力件的外形結構進行了適當的簡化，如忽略部分倒圓、倒角，將連接螺釘與墊圈組合為1個零件模型等。

2.1載荷與邊界條件

2.1.1邊界條件

1)固定板和連接螺釘。對連接螺釘底部的螺紋施加鉸接(Pinned)邊界條件，限制其平移自由度；在固定板與連接螺釘之間施加綁定(Tie)約束；在固定板與緊固套配合一側的各圓孔中心位置創建載荷控制點，并將其與緊固套在固定板上的作用面耦合(Coupling)，如圖3～4所示。

圖3　固定板與連接螺釘間綁定(Tie)約束施加

圖4　鉸接(Pinned)邊界條件和耦合

2)緊固套。對緊固套僅進行了155.3 MPa(工具試驗壓力)條件下的計算分析。緊固套上與固定板接觸的表面耦合到創建的載荷控制點上；緊固套內螺紋表面施加鉸接(Pinned)約束，如圖5。

圖5　緊固套邊界條件及載荷施加

2.1.2載荷施加

1)緊固套。等效液壓作用力加載到創建的載荷控制點上，如圖5。

2)固定板和連接螺釘。①針對工具額定工作壓力103.5 MPa，分別將等效液壓作用力施加在所有8個液壓接頭裝配位置和其中4個對連接螺釘強度影響較大的液壓接頭裝配位置(參考點RP3、RP4、RP5、RP6處)，如圖6～7所示。②針對工具試驗壓力155.3 MPa，將等效液壓作用力施加在2個對連接螺釘強度影響較大的液壓接頭裝配位置(參考點RP3、RP4處)，如圖8。

圖6　等效液壓作用力的施加(8個液壓接頭)

圖7　等效液壓作用力的施加(4個液壓接頭)

圖8　等效液壓作用力的施加(2個液壓接頭)

2.1.3等效液壓作用力計算

等效液壓作用力為

Fe=pr×As

當測試工具在額定工作壓力下：pr=103.5 MPa，As=91.05 mm2，Fe=9 423.7 N。

當測試工具在自身試驗壓力下：pr=155.4 MPa，As=91.05 mm2，Fe=14 140 N。

2.2單元類型

固定板采用8節點線性六面體單元減縮積分(C3D8R)進行網格劃分，連接螺釘采用10節點二次四面體單元(C3D10)進行網格劃分。緊固套采用10節點二次四面體單元(C3D10)進行網格劃分。

3關鍵承力件應力和應變分析

3.1判定準則

3.1.1應變判定準則[5]

根據API RP 17G—2006 完井-修井立管系統設計和操作的推薦做法 D.2.4彈塑性有限元分析，應變判定準則為：

全局應變準則(最大主應變)：

εprin≤0.02

局部失效準則(當量塑性應變)：

εpeq≤min[0.1，0.5×(1-σy/σu]

式中：σy為設計溫度下材料的設計屈服強度；σu為設計溫度下材料的設計極限抗拉強度。

3.1.2應力判定準則[3]

根據API 6A標準20版中4.3.3.2節規定，有

式中：ST為最大許用拉伸應力；Sy為材料的最小屈服強度。

3.2固定板和連接螺釘應力應變分析

通過在3種不同承壓工況下對固定板和連接螺釘進行模擬計算，得到其最大應力值和應變值，如表2所示。

工況Ⅰ中對8個液壓接頭均加壓，工況Ⅱ中選取的4個液壓接頭位置如圖7所示，工況Ⅲ中選取的2個液壓接頭位置如圖8所示。工況Ⅱ、Ⅲ中接頭選取的原則是：接頭之間間距最小，且離工況Ⅰ分析結果中最大Mises應力值所在的連接螺釘(或與之位置對稱的螺釘)最近，分析認為該分布位置為4個和2個接頭組合的最危險位置。

表2　3種承壓工況下固定板和連接螺釘的最大應力、應變值

工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中固定板和連接螺釘的Mises應力云圖、最大主應變云圖和當量塑性應變云圖分別如圖9～15所示。

圖9　工況Ⅰ條件下Mises應力云圖

圖10　工況Ⅰ條件下最大主應變云圖

圖11　工況Ⅰ條件下當量塑性應變云圖

圖12　工況Ⅱ條件下Mises應力云圖

圖13　工況Ⅱ條件下最大主應變云圖

圖14　工況Ⅲ條件下Mises應力云圖

圖15　工況Ⅲ條件下最大主應變云圖

鑒于工況Ⅰ的計算結果，依據2種不同的判定準則判定結果不同，為保證安全，確定在103.5 MPa額定工作壓力下，最多同時對4個液壓接頭進行加壓測試可滿足3.1中的2種判定準則要求。根據表1中的材料屬性可知，連接螺釘材料σs=720 MPa，較固定板小，故連接螺釘的受力最危險。據3.1中的應力判定準則，有

工況Ⅰ中液壓載荷產生的最大Mises應力超出許用應力值，因此，認為該壓力條件下，固定板和連接螺釘的受力不滿足API 6A標準中的應力判定準則；而工況Ⅱ和Ⅲ中液壓載荷產生的最大Mises應力均小于許用應力值，因此，認為滿足API 6A標準中的應力接受準則。

據3.1中的應變判定準則，連接螺釘的最小抗拉強度為σy=860 MPa，故σy/σu=720/860=0.837，則Epeq≤[0.1，0.081 4]，取εpeq≤0.081 4。

工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中液壓載荷產生的最大主應變均小于許用應變值0.02，工況Ⅰ中的最大當量塑性應變小于許用應變值0.081 4，工況Ⅱ、Ⅲ中，因固定板和連接螺釘所受應力均在彈性范圍內，故當量塑性應變值均為0。因此，3種工況條件下，固定板和連接螺釘的受力均滿足API RP 17G標準中的應變判定準則。

3.3緊固套應力應變分析

圖16～17分別展示了在工具試驗壓力155.3 MPa條件下，緊固套上的Mises應力云圖和最大主應變云圖。

圖16　緊固套Mises應力云圖(155.3 MPa)

圖17　緊固套最大主應變云圖(155.3 MPa)

由圖16可知：在該壓力條件下，液壓載荷產生的最大Mises應力為250.7 MPa，且位于緊固套法蘭根部與側向開口的交匯位置。根據表1中的材料屬性可知，緊固套材料σs=518 MPa。據3.1中的應力判定準則，有

液壓載荷產生的最大Mises應力小于許用應力值，因此，認為該壓力條件下，緊固套的受力滿足API 6A標準中的應力評定準則。

由圖17可知：在該壓力條件下，液壓載荷產生的最大主應變約為0.001 2，且位于與最大Mises應力相同位置。據3.1中的應變判定準則，液壓載荷產生的最大主應變小于許用應變值0.02，因此，認為該壓力條件下，緊固套的受力滿足API RP 17G標準中的應變判定準則。

由于該工況下，緊固套所受應力均在彈性范圍內，因此，當量塑性應變值均為0。

4結論

1)當液壓接頭采用以下加壓方式工作時，該測試工具性能是安全的。在103.5 MPa額定工作壓力下，最多可同時對4個液壓接頭以任意組合方式進行加壓；在155.3 MPa工具試驗壓力下，最多可同時對2個液壓接頭以任意組合方式進行加壓。

2)在工具試驗壓力155.3 MPa條件下，緊固套的強度滿足要求。

參考文獻：

[1]韋卓，李昌亮，田紅平，等.基于Abaqus的油管懸掛器鎖緊機構接觸分析 [J].石油機械，2012，40(6)：1-5.

[2]GB/T 21412.4—2008，水下井口裝置和采油樹設備[S].

[3]API 6A，Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment [S].

[4]Hibbitt，Karlsson & Sorensen，INC.ABAQUS/Standard 有限元軟件入門指南——ABAQUS/CAE版[M].朱以文，蔡元奇譯.武漢：武漢大學，2003：178-185.

[5]API RP 17G—2006，Recommended Practice for Completion/Workover Risers [S].

FEA of Penetrator Flowline Test Tool of Subsea Tubing Hanger

SUN Chuanxuan1，2，ZHANG Qingfeng1，LIU Qimeng1，2，WAN Chunyan1，2，YUAN Jie1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

Abstract：The penetrator flowline test tool is one of a complete set of tools needed in subsea tubing hanger’s FAT.Because of its need to bear high pressure at work，in order to ensure the safety of performance，the critical load bearing parts of the tool are analyzed and the finite element models are built.The simulation calculation under three kinds of pressure conditions has carried out，thus the max stress and strain values of the connecting screws and adapter sleeve are gotten.According to API RP 17G & API 6A standards，the strength and reliability of the test tool are assessed.Eventually，the number of hydraulic couplings and the type of combinations pressuring at the same time under different hydraulic loading are determined.These will provide some guidance for the development and operation of the Penetrator Flowline test tool.

Keywords：subsea；tubing hanger；test tool；penetrator；hydraulic flowline；FEA

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.010

作者簡介：孫傳軒(1983-)，男，山東莒縣人，工程師，碩士，主要從事水下油氣鉆采設備的技術開發工作，E-mail：sunchuanxuan@163.com。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目“水下臥式采油樹系統研制”(2012AA09A204)

收稿日期：2015-08-24

文章編號：1001-3482(2016)04-0037-06