水下油管懸掛器鎖緊結構有限元強度分析

孫傳軒，李中華，劉文霄，曾 喬，楊 超，劉啟蒙，王耀峰

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

水下油管懸掛器是水下采油樹上的關鍵部件之一，主要用來懸掛油管，提供油氣生產通道，為井底電控、液壓和化學劑注入提供接口及通道，密封油管與油層套管之間的環形空間，并承受井壓和安裝時的提升拉力[1]。由于水下油管懸掛器的工作壓力較高，目前主流產品一般達到69 MPa(10 000 psi)及以上[2-3]，因此，除要求其具有可靠的密封結構外，還要求油管懸掛器能可靠的鎖定在水下井口或水下采油樹通徑腔體內。

Bradley A A等[4]利用FEA軟件對水下采油樹的關鍵組成結構進行了分析；韋卓等[5]利用Abaqus有限元軟件對3種不同的油管懸掛器鎖緊機構在鎖緊過程中所受到的應力進行了分析；徐健等[6]對水下井口主要承壓部件之一的C形環進行了強度校核；李濱等[7]對500 m水下油管懸掛器在不同工況下同時進行了強度及疲勞壽命分析、模態分析和可靠性分析；程友祥等[8]對油管懸掛器安裝工具結構的幾何尺寸、材料參數和載荷因素等參量的不確定性進行了研究。目前，學者大多是針對水下油管懸掛器某一零件的力學性能開展了分析研究[9-14]，且由于C型鎖環及壓緊套型面的不同，分析結果存在較大差異。本文采用Abuqus軟件建立了水下油管懸掛器鎖緊結構完整的有限元模型，向壓緊套施加了向下的位移載荷，采用Explicit顯式求解方法[15]完成油管懸掛器鎖緊過程的模擬計算，并將分析結果與API 6A標準中的判定準則進行比較，保證了水下油管懸掛器鎖緊結構的可靠性。

1 水下油管懸掛器結構及材料屬性

1.1 油管懸掛器結構

水下油管懸掛器結構如圖1所示，主要包含懸掛器本體、壓緊套、提升環、C型鎖環、座放臺階、油管柱和組合密封等。懸掛器本體內設有生產通道、環空通道和電/液穿越通道等。生產通道用于油氣介質的產出，環空通道主要用于泄放油管柱與生產套管間的壓力或介質，電/液穿越通道主要為井下控制對象提供液壓動力，并傳輸電力或電信號。當油管懸掛器及油管柱坐放到水下井口裝置或水下采油樹通徑內之后，坐放臺階承載整個組件的重力，組合密封與外部設備內壁接觸，密封生效。為使油管懸掛器狀態保持，需要利用下入工具推動壓緊套下移，壓緊套下端深入到C型鎖環內壁處并將其撐開，C型鎖環發生形變，卡入到外部設備內壁的對應型面內，實現懸掛器的鎖定。

1.2 主要材料屬性

水下油管懸掛器的主要零件材料屬性如表1。井口頭采用合金鋼，屈服強度≥552 MPa，鎖緊結構的各組件均采用不銹鋼(含沉淀硬化不銹鋼)，其中懸掛器本體的屈服強度≥518 MPa，C型卡環和壓緊套的屈服強度≥1 000 MPa，各零件的彈性模量和泊松比均相同。

圖1 水下油管懸掛器結構模型

表1 各零件材料及力學性能參數

2 鎖緊結構有限元模型建立

實際作業中，油管懸掛器坐放在套管懸掛器上，本文主要關注油管懸掛器C型鎖環與井口頭鎖緊型面間的應力狀況，不對套管懸掛器進行應力分析。因此，將井口頭和套管懸掛器視為整體，僅考慮油管懸掛器C型鎖環和壓緊套部分，忽略其它零部件，如圖2所示，以便于計算。本計算分析模型整體坐標系為笛卡爾坐標系，坐標原點位于油管懸掛器本體中心。

圖2 簡化后的油管懸掛器分析模型

2.1 載荷與邊界條件

由于油管懸掛器重力較大，在鎖緊分析中需考慮各部件承受的重力載荷。在井口頭底部施加固定約束，油管懸掛器上的臺階面坐放到井口頭內對應的型面上，對壓緊套頂面施加向下的位移載荷(54 mm)。其載荷與邊界條件如圖3所示。

圖3 油管懸掛器和井口頭邊界條件及載荷施加

2.2 接觸設置

油管懸掛器本體坐放在井口頭內的臺階上，將油管懸掛器和井口頭接觸的臺階面施加綁定(Tie)約束，如圖4所示。

圖4 懸掛器本體與井口頭間綁定約束施加

實際工況下，油管懸掛器本體、井口頭、壓緊套與C型鎖環之間均存在面接觸，故在分析模型中分別設置各組面的接觸關系，并設定其摩擦因數為0.1，如圖5所示。

圖5 各零件之間的接觸面設置

2.3 單元類型

水下油管懸掛器及井口頭整體采用六面體網格進行劃分，C型鎖環、壓緊套及井口頭三者相互接觸部分的網格進行加密，共計生成節點128 722個，單元111 295個，網格劃分后的有限元模型如圖6所示，圖7為局部網格加密位置。

圖6 網格劃分后的有限元模型

圖7 局部網格加密位置

3 關鍵承力件應力和應變分析

3.1 判定準則

根據API 6A[3]規范，在額定工作載荷的工況下，結構強度必須滿足以下條件：

Pm≤1.0Sm

(1)

Pm+Pb≤1.5Sm

(2)

試驗載荷下應當滿足下列條件：

Pm≤1.0ST

(3)

Pm+Pb≤1.5ST

(4)

3.2 計算結果分析

油管懸掛器、C型卡環在壓緊套作用下，最終鎖緊在井口頭上，各零件應力云圖如圖8所示。由圖8可知，來自壓緊套頂端的作用力，通過其自身傳導至底端錐面，并與C型卡環接觸，使卡環受力沿徑向撐開，卡入井口頭內腔型面中，應力值較大的區域位于C型卡環內、外徑表面處，最大Mises應力達643.2 MPa。

圖8 整體應力云圖

為了準確分析油管懸掛器鎖緊結構中各零件的受力情況，單獨提取了各零件云圖，并根據校核準則，對各零件進行應力線性化處理，如圖9～12。

1) 針對井口頭，其最大應力值為156.5 MPa，出現在C型鎖環對應的第2道鎖緊槽上沿，該區域與C型鎖環接觸并提供鎖緊反向作用力，分析結果符合受力工況(如圖9)。沿鎖槽壁厚方向的一次薄膜應力Pm=120.3 MPa，一次薄膜應力+彎曲應力Pm+Pb=140.8 MPa，由判定準則可知：

井口頭強度符合標準中的判定準則要求。

圖9 井口頭應力云圖

2) 針對C型鎖環，其最大應力值為643.2 MPa，出現在第2道鎖緊凸面上邊緣。該型面與井口頭的最大應力值所在型面接觸配合，二者相互作用，限制C型鎖環上移，分析結果符合受力工況(如圖10)。沿壁厚方向的一次薄膜應力Pm=389.2 MPa，一次薄膜應力+彎曲應力Pm+Pb=472.7 MPa，由判定準則可知：

C型鎖環強度符合標準中的判定準則要求。

圖10 C型卡環應力分布云圖

3) 針對壓緊套，其最大應力值為426.9 MPa，出現在壓緊套下端外錐面上，該區域與C型鎖環內徑型面接觸并相互擠壓作用，產生的應力較大，分析結果符合受力工況(如圖11)。沿壓緊套壁厚方向的一次薄膜應力Pm=363.1 MPa，一次薄膜應力+彎曲應力Pm+Pb=418.6 MPa，由判定準則可知：

壓緊套強度符合標準中的判定準則要求。

圖11 壓緊套應力分布云圖

4) 針對油管懸掛器本體，其最大應力值為234.6 MPa，出現在C型鎖環底端座放的臺階平面上，C型鎖環通過該接觸面為懸掛器本體提供向下的鎖緊作用力，分析結果符合受力工況(如圖12)。

圖12 油管懸掛器本體應力云圖

沿臺階接觸面壁厚方向的一次薄膜應力Pm=198.3 MPa，一次薄膜應力+彎曲應力Pm+Pb=223.5 MPa，由判定準則可知：

油管懸掛器本體強度符合標準中的判定準則要求。

由分析結果可知，井口頭、油管懸掛器本體、C型卡環、壓緊套的一次薄膜應力Pm、一次薄膜應力Pm+彎曲應力Pb均小于許用值(如表2所示)，因此，油管懸掛器鎖緊結構強度滿足設計要求。

表2 鎖緊結構各零件的應力值

4 加工和試驗情況

通過承擔國家及中石油集團公司項目，寶雞石油機械有限責任公司已完成了深水油管懸掛器樣機的試制(如圖13所示)。試驗大綱依據API 17D及API 6A標準制訂，并對鎖緊結構進行了相關試驗驗證，試驗結果符合大綱要求，進一步驗證了有限元分析結果的正確性。水下油管懸掛器的成功試制有力保證了水下采油樹整機的研制和試驗進度，對加快產品市場推廣和產業化步伐具有重要意義。

圖13 深水采油樹油管懸掛器樣機

5 結論

1) 本文利用ABAQUS軟件建立了水下油管懸掛器鎖緊結構有限元模型，設置了載荷與邊界條件、接觸對和單元類型，并賦予材料屬性。采用Explicit顯式求解方法，完成油管懸掛器鎖緊過程的模擬計算，得到了各零件的應力分布狀態。通過與API 6A標準中的判定準則對比，確定鎖緊結構滿足強度要求，為水下油管懸掛器的設計開發和試驗、應用提供了理論指導。

2) 水下油管懸掛器鎖緊過程中，C型卡環和壓緊套所承受的應力較大，而井口頭和油管懸掛器本體所承受的應力相對較小，在通過均值化得到的一次薄膜應力Pm、一次薄膜應力Pm+彎曲應力Pb上也體現了這一受力特點，因而，在C型卡環和壓緊套厚度受限的條件下，選擇高強度合金鋼或沉淀硬化不銹鋼作為加工材料較為適宜。為防止接觸面因局部高應力而失效，可采用離子氮化等方式予以表面增強。