基于ANSYS的油管掛結構可靠性分析

朱元坤，劉 健，秦浩智，劉文霄，肖文生

(1.中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266555；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)

基于ANSYS的油管掛結構可靠性分析

朱元坤1，劉 健1，秦浩智1，劉文霄2，肖文生1

(1.中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266555；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)

利用ANSYS/APDL語言建立油管掛參數化模型，將油管掛的結構尺寸、工作載荷、材料性質等設為服從正態分布的隨機變量，并運用Monte-Carlo抽樣法對油管掛進行隨機有限元分析，得到油管掛可靠度為96.22%，證明了該結構在實際工況下的可靠性。通過靈敏度分析可知，油管掛總長度以及內壓是影響油管掛可靠性的最主要因素。該結論為油管掛等其它水下復雜結構的可靠性及結構優化提供理論支撐。

采油樹；油管掛；結構可靠度；靈敏度

油管掛作為水下油氣開采過程中核心的承/控壓部件[1]，其結構強度是決定水下油氣開采系統運行可靠性的重要因素之一。隨著海洋油氣開采的快速發展，海洋石油工業逐步從淺海向中深海域發展的趨勢[2]，使得油管掛工作環境變得更加惡劣，對結構強度和性能提出了更高的要求。因此，研究油管掛工作的應力分布，評估其可靠性是非常有必要的。油管掛三維和二維模型如圖1所示。

考慮到油管掛加工誤差以及在實際工作過程中其材料參數和載荷存在隨機性或者模糊性[3]，筆者采用ANSYS概率設計模塊，對油管掛參數化幾何模型進行可靠性分析；并運用蒙特卡羅法模擬變量的隨機性，分析各隨機變量對油管掛結構可靠性的影響程度，以期為設計出適合我國深海水域的高可靠度油管掛系統提供理論依據和技術支撐。

a 三維模型

b 二維模型

1 基本理論

由于油管掛的結構尺寸以及材料參數和載荷存在不確定性，為此在工程設計階段引入隨機方法，不僅能有效避免傳統方法存在的不足，而且能保證結構設計質量，滿足實際工程需要。在進行可靠性分析時，其主要任務是分析結構的工作臨界狀態，即結構的極限狀態[4]。

設隨機變量X=(X1，X2，…，Xn)，表示結構的隨機變量組成，且結構功能函數Z為

Z=g(X1，X2，…，Xn)

(1)

結構的極限狀態是指結構處于失效(Z<0)與安全(Z>0)的臨界狀態，其方程式為

Z=g(X1，X2，…，Xn)=0

(2)

作為主要承載工作載荷的油管掛，其結構可靠性研究基礎是應力-強度干涉模型[5]，即結構強度R和載荷應力S的一種對應關系。極限狀態函數可以簡化為

Z=R-S

(3)

由可靠性理論可知，在可靠性結構設計中，需滿足Z>0的條件，即結構的可靠度求解與求解Z=g(x)>0的概率是等價的[6]。因此，利用ANSYS的PDS分析模塊計算極限狀態概率，從而得到結構的可靠度。

2 油管掛可靠性分析

正常生產時油管掛作為水下采油樹重要的承/控壓部件，主要功能有：懸掛油管；在生產、環空和控制系統之間形成環形密封圈；控制調節油管柱與生產套管之間壓力，并承受油管柱內的壓力[7]。

在研究油管掛強度可靠性時，要充分考慮油管質量、內部壓力載荷、水深、腐蝕及結構尺寸等因素。

2.1 油管質量

油管掛主要的功能就是懸掛質量達幾十噸的油管，油管質量計算式為

W=[(R-h)×h]×0.024 66

(4)

式中：W為單位長度油管質量，t；R為油管外徑，mm；h為油管壁厚，mm。

2.2 內部壓力載荷

油管掛作為主要承壓部件，承受著極高的壓力載荷。內壓主要是指正常生產時油管掛通過的油壓。

因水深的增加，水下采油樹處于極高的外部壓力，易引起結構部件的裂紋損傷；海水以及油氣的腐蝕很容易導致采油樹結構以及油管掛密封結構的損壞，從而造成油氣泄露。

在實際工作過程中，油管掛承載較大的工作載荷。利用ANSYS對油管掛進行可靠性分析，利用APDL語言建立的簡化油管掛主體三維模型如圖2。模型采用20節點SOLID187實體單元。油管懸掛器主體的材料為合金鋼AISI8630[8]，材料的屈服極限為588 MPa。彈性模量為 210 GPa，泊松比為0.3。

圖2 油管掛主體ANSYS模型

考慮到油管掛的加工誤差、材料參數和工作條件都存在隨機性，且服從一定分布[9]，本文選取油管掛的材料參數、工作載荷和設計變量3種類別，共8個參數作為隨機變量。選取的隨機變量及其分布特征如表1所示。

表1 設計變量的分布

采用蒙特卡洛拉丁超立方(U-IS)抽樣法對油管掛幾何模型進行抽樣，抽樣次數為1 000次，得到圖3所示的抽樣趨勢圖。3條抽樣曲線中，上下兩條曲線代表置信區間的上下限，中間的曲線代表抽樣均值的變化情況。

圖3 MAXSTR抽樣曲線

從圖3可以看出，3條曲線在后期都趨于水平，且MAXSTR均值逐漸收斂。表明1 000次抽樣可以滿足油管掛可靠性分析精度要求。

隨機變量的直方圖作為概率分析(PDS)的重要結果，可以通過繪制其變量直方圖來驗證模擬抽樣次數是否足夠多。取隨機變量P1和LOAD1，其分布直方圖如圖4所示(由于篇幅問題，未給出其他隨機變量的直方圖)。

a 內壓

b 油管重力

從圖4可以看出，P1和LOAD1的分布直方圖接近正態分布曲線，且曲線光滑，說明該抽樣次數已足夠多，可以保證分析結果的準確性。

3 模擬結果分析

通過ANSYS概率分析模塊，得到油管掛可靠性分析結果如圖5所示。圖5a為極限函數Z(X)的累積分布圖；圖5b為極限狀態Z<0的概率。從圖5可以看出，在置信度為95%及抽樣次數1 000次的情況下，Z(X)<0的平均概率值為0.037 703 7，即油管掛的的可靠度約為96.22%。模擬效果對比如表2。

a 極限函數Z(X)的累積分布

b 極限狀態Z<0的概率

抽樣次數1005001000Z<0概率0.03950190.03955550.0377037

4 靈敏度分析

靈敏度分析是ANSYS概率分析模塊中重要的組成部分[10]。油管掛最大應力靈敏度分析結果如圖6所示。由圖6可以看出，對油管掛最大應力的有顯著影響的主要因素是油管掛總長度和內壓。這2個變量均為正值(正號代表該隨機變量的變化對結構可靠性起正面作用)，表明油管掛的可靠性隨這2個隨機變量的增大而增大。

圖6 靈敏度分析結果

隨機變量對油管掛可靠性的影響程度如表3所示。為保證油管掛結構可靠度，應根據靈敏度分析的結果來修改油管掛的相關設計變量，例如在設計和制造過程中嚴格控制對可靠性影響顯著的變量。為減小油管掛結構的最大應力值，應首先進行結構尺寸優化，而不是考慮其它非重要的設計變量。

表3 隨機變量對油管掛可靠性的影響程度

5 結論

1) 本文利用ANSYS分析平臺，編制油管掛結構的APDL建模-分析命令流，并利用PDS分析模塊對油管掛結構進行可靠性分析。為油管掛結構的可靠性設計提供了一種仿真分析方法。

2) 分析結果表明，油管掛可靠度為96.22%。通過靈敏度分析可知，總長度以及內壓是影響油管掛結構可靠性的關鍵因素。

3) 通過實例分析，證明了ANSYS/PDS概率設計模塊分析油管掛失效概率或可靠度的可行性，為后續的油管掛優化設計提供了依據。

[1] 唐彪，段夢蘭，戴兵，等.內壓作用臥式采油樹油管掛承載能力研究[J].石油機械，2014，42(3)：43-47.

[2] 王立忠.論我國海洋石油工程技術的現狀與發展[J].中國海洋平臺，2006，21(4)：9-11.

[3] 李戰偉，楊洪柏.柴油機曲軸三維有限元可靠性分析[J].機電一體化，2014(5)：53-56.

[4] 石小洲，顏慶智，張媛，等.基于ANSYS的鋼結構玻璃雨篷可靠性研究[J].湖南科技大學學報(自然科學版)，2016，31(2)：99-107.

[5] 羅建梅，謝哲，段禮祥，等.水下采油樹生產通道可靠性設計及分析[J].石油礦場機械，2015，44(7)：28-32.

[6] 張麗新，李燕飛，張萍.基于二階矩法的鋼筋混凝土連續梁可靠度分析[J].中國安全生產科學技術，2010，6(6)：165-168.

[7] 趙宏林，程華榮，田紅平，等.深水采油樹油管懸掛器下放工具關鍵參數設計[J].石油機械，2014， 42(4)：16-19.

[8] 姜立杰.臥式采油樹油管掛設計研究[D].東營：中國石油大學，2011.

[9] Wang C，Zhang H，Duan M.Reliability Analysis on Subsea X-tree Tubing Hanger[J].International Journal of Energy Engineering，2012(2)：51.

[10] Kong X，Wang Q M，Liu C J，et al.Parameter Sensitivity and Reliability Analysis for Construction Control of Cable-Net Structure Supporting the Reflector of FAST[J].Advanced Materials Research，2013，671-674：529-533.

下期目次預告

王倩琳等 變壓力工況下井口裝置的疲勞失效演化規律研究武延鑫等 熱采井高溫條件下機械篩管強度變化規律模擬研究

王麗男等 油管掛安裝工具C形環變形量對結構強度影響

張會會等 彎曲井段下壁厚對波紋管膨脹性能的影響

張長齊等 水下采油樹電液復合控制系統設計

劉 菲等 連續油管導向器結構形式及受力分析

闞長賓等 沖砂同心管用Z331型自封封隔器研制

周建立 井下鉆井液采集模擬裝置的設計與試驗

劉 濤等 納米材料及化學改性對油井盤根耐磨性的影響

同 輝 剪切帽技術對PDC切削齒的保護原理及應用

魏培靜等 電驅動石油鉆機的安全控制技術研究

黃 鈺 超大管徑海底管道長距離登陸拖拉技術研究

賀行政等 車載天然氣泄漏檢測裝置的結構設計

王 莎等 深水防噴器控制系統試驗樣機研制

葛偉鳳等 基于權重分析的海上井控設備風險分級方法

付亞榮等 熱洗井空心抽油桿下入深度的計算模型

肖國華等 長行程管柱補償器的研制與應用

Reliability Analysis of Tubing Hanger Structure based on ANSYS

ZHU Yuankun1，LIU Jian1，QIN Haozhi1，LIU Wenxiao2，XIAO Wensheng1

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China)

By using ANSYS/APDL language，the parametric model of tubing hanging is set up.The structure size，working load and material properties of tubing are set as stochastic variables obeying normal distribution，and Monte-Carlo sampling method was used to analyze the tubing hanging by stochastic finite element method，get the tubing hanger for a reliability of 96.22%，which proved the reliability of the structure under practical working conditions.Through the sensitivity analysis，the factors affecting the reliability of tubing hanging structure are obtained.The total length and the internal pressure are the most important factors affecting the reliability of tubing hanging.The conclusions provide theoretical and technical support for the reliability and structural optimization design of other complex underwater structures.

X-tree；tubing hanger；structural reliability；sensitivity

1001-3482(2017)04-0028-04

2017-02-12

國家工信部海洋工程裝備科研項目“水下立式采油樹研制”子課題“水下立式采油樹下水安裝及回收技術研究”

朱元坤(1990-)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要從事是石油機械、海洋油氣裝備的研究，E-mail：zhuyuankun2008@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.008