基于金屬損失的閘板防噴器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真研究

俞嘉敏 陳文斌 趙琪月 徐貴凱 郭萌夢(mèng)

（1、川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢618300 2、四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司，四川 廣漢618300）

1 概述

閘板防噴器是油氣資源開發(fā)過(guò)程中平衡控制地層壓力、防止井噴事故關(guān)鍵設(shè)備之一。殼體是閘板防噴器的主要承壓部件，但閘板防噴器的殼體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸變化較多，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[1]。當(dāng)殼體含有初始缺陷時(shí)：在高壓沖擊載荷作用下，防噴器殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)明顯降低，缺陷附近及某些結(jié)構(gòu)尺寸變化處會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象；且快速關(guān)井時(shí)產(chǎn)生的高壓沖擊波在衰減過(guò)程中，仍會(huì)對(duì)閘板防噴器的殼體進(jìn)行反復(fù)沖擊，使其出現(xiàn)疲勞缺陷，甚至出現(xiàn)脆性斷裂，使防噴器的疲勞使用壽命大幅度降低[2]。因此對(duì)含有初始缺陷的閘板放噴殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞壽命分析具有積極意義。

國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)閘板防噴器的殼體受力情況進(jìn)行了大量研究：袁建華[3]對(duì)防噴器殼體裂紋缺陷進(jìn)行了研究，通過(guò)有限元分析的方法確定了熱裂、冷裂、應(yīng)力腐蝕破裂及機(jī)械疲勞斷裂四種缺陷類型，并進(jìn)行了缺陷權(quán)重計(jì)算；張川[4]對(duì)無(wú)側(cè)門螺栓閘板防噴器殼體進(jìn)行了有限元分析后發(fā)現(xiàn)，無(wú)側(cè)門螺栓時(shí)閘板腔應(yīng)力分布較為均勻；張士超等[5]采用了XFEM 的方法針對(duì)水下防噴器裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了模擬，總結(jié)出裂紋擴(kuò)展的規(guī)律；吳奇兵等[6]根據(jù)材料S-N 曲線，應(yīng)用Pair 公式對(duì)水下防噴器的疲勞壽命進(jìn)行了分析。因此，防噴器的使用壽命以及承載能力對(duì)防噴器的安全性評(píng)價(jià)起到重要作用。

綜上所述，對(duì)閘板防噴器殼體應(yīng)力分布的規(guī)律的研究已經(jīng)較為成熟，但對(duì)含缺陷閘板防噴器的殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析較少。因此，作者結(jié)合前人的研究基礎(chǔ)，在額定工況及靜水壓工況下對(duì)含缺陷閘板防噴器進(jìn)行有限元分析，研究其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命。

2 基于金屬損失的閘板防噴器有限元模型

防噴器工作原理及特性導(dǎo)致其工作過(guò)程中容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，腐蝕現(xiàn)象大部分為腐蝕坑，在2FZ35-70 雙閘板防噴器通徑孔壁上預(yù)制不同規(guī)格的腐蝕坑，腐蝕缺陷用半球形結(jié)構(gòu)模擬，并根據(jù)防噴器的安裝要求對(duì)其上下兩個(gè)安裝面進(jìn)行三個(gè)平動(dòng)自由度的約束，腐蝕坑位置及殼體的壓力和約束如圖1 所示。為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析，因此對(duì)閘板防噴器各個(gè)零部件進(jìn)行網(wǎng)格離散工作，本計(jì)算采用ABAQUS 有限元分析，其單元類型為C3D10M。

圖1 閘板防噴器殼體預(yù)制腐蝕坑位置及有限元模型

3 基于金屬損失的閘板防噴器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果

3.1 含缺陷閘板防噴器應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖2 為防噴器液壓腔在帶有腐蝕坑的情況下所施加壓力為70MPa 和105MPa 并根據(jù)此工作壓力和邊界條件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)腐蝕坑直徑在20mm 以內(nèi)，球形缺陷應(yīng)力主要是應(yīng)力集中效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)直徑大于20mm 以后，由于缺陷增大導(dǎo)致殼體結(jié)構(gòu)局部剛度發(fā)生變化。隨著腐蝕坑直徑的增加，應(yīng)力集中的程度降低，防噴器殼體在井內(nèi)流體腐蝕液中的腐蝕疲勞起源于試樣表面的點(diǎn)蝕坑，在應(yīng)力作用下，點(diǎn)蝕坑由于應(yīng)力集中，萌生出裂紋，裂紋在應(yīng)力和腐蝕性液體的共同作用下不斷加深、增多，直至斷裂。

3.2 含缺陷閘板防噴器疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

當(dāng)引入缺陷腐蝕坑以后，缺陷處的所有應(yīng)力在正常工作狀態(tài)下均超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，因此帶有缺陷的結(jié)構(gòu)需要計(jì)算疲勞壽命，不同壓力條件下缺陷閘板防噴器殼體疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。從圖4（a）中可以看出，在相同工況條件下，隨著腐蝕坑直徑的增大，防噴器殼體的疲勞壽命先下降后升高，在直徑5mm 至直徑20mm 處下降最為明顯，其中在直徑20mm 處疲勞壽命最低，20mm 是應(yīng)力集中與局部剛度的轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)，隨后疲勞壽命又增大，由此可見，當(dāng)腐蝕坑直徑達(dá)到20mm 時(shí)需進(jìn)行維修，否則將會(huì)影響防噴器的安全使用。所以在防噴器實(shí)際的使用過(guò)程中，應(yīng)注意盡量降低應(yīng)力集中的程度。從圖4（b）中可以看出，在相同工況條件下，隨著腐蝕坑直徑的增大，防噴器殼體的疲勞壽命先直線下降，短期內(nèi)會(huì)發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，尤其是腐蝕坑直徑大于10mm 時(shí)，殼體疲勞壽命不足以保障防噴器的安全使用。

圖2 帶缺陷閘板防噴器殼體腐蝕坑應(yīng)力結(jié)果

圖3 帶缺陷閘板防噴器殼體疲勞壽命結(jié)果

圖4 帶缺陷閘板防噴器殼體疲勞壽命和腐蝕坑直徑的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)液壓油腔均為70MPa 壓力時(shí)，殼體缺陷處應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，需要進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算；當(dāng)缺陷直徑在20mm時(shí)，壽命最低，因此防噴器正常工作時(shí)，為了確保結(jié)構(gòu)可靠，缺陷直徑在20mm 以內(nèi)可以暫不修復(fù)，如果缺陷直徑超過(guò)20mm，則必須修復(fù)，否者會(huì)造成殼體產(chǎn)生疲勞裂紋，給防噴器的安全使用造成隱患。

4.2 當(dāng)液壓油腔均為105MPa 壓力時(shí)，此時(shí)壓力較高，一旦出現(xiàn)缺陷，則在此載荷作用下，殼體的疲勞壽命將會(huì)隨著腐蝕坑直徑的增加而大幅度下降，短期內(nèi)會(huì)發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，因此在壓力105MPa 時(shí)，不允許出現(xiàn)缺陷，一旦出現(xiàn)后，必須進(jìn)行修復(fù)。