基于ANSYS Workbench的耐壓試驗設備強度和應力分析

張袁祥，李銘，段瑞芳

（中海油田服務股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類對石油天然氣的需求也逐漸擴大，而由于陸地空間和資源的限制，海洋成為近年來人類開發(fā)的目標。海洋資源包括海水、海洋生物、海洋能源、海底礦物資源，其中海洋石油資源日益成為各國爭奪的重點，隨著海洋油氣勘探新技術的不斷應用和日臻成熟，全球已進入深水油氣開發(fā)階段，海洋油氣勘探開發(fā)已成為全球石油行業(yè)主要投資領域[1]。常規(guī)海洋地震勘探技術包括海上拖纜和海底電纜。但是面對復雜多變的海洋環(huán)境，物探船作業(yè)時，定位、激發(fā)與接收地震波過程會產(chǎn)生一定誤差，這也會影響最終的勘探結果，常規(guī)勘探技術已逐漸不能滿足勘探要求。海底節(jié)點（Ocean Bottom Node）地震勘探技術的出現(xiàn)不僅克服了海水的影響，還大大提高了勘探數(shù)據(jù)的準確性，代表了海洋勘探技術的發(fā)展方向[2]。

海底節(jié)點是一種位于海底，可以獨立采集、記錄地震信號的多分量地震儀，主要由控制單元、電池單元、檢波器單元等組成。海底節(jié)點產(chǎn)品研制過程中，首要考慮的因素是產(chǎn)品的密封性能，保證該產(chǎn)品在海底能夠滿足耐壓要求，正常進行采集作業(yè)。所以，在節(jié)點實際使用前，對其進行耐壓試驗是必不可少的環(huán)節(jié)。本文提出一個能夠滿足30 MPa壓力要求的試驗設備，并對其進行應力分析和強度評定，為該設備的使用提供了可靠的理論依據(jù)，該耐壓試驗設備的成功使用，也將提高海底節(jié)點產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，為海洋石油勘探技術的發(fā)展提供有力保證，為保障國家能源安全貢獻力量。

1 主體材料及參數(shù)

該設備的釜底、釜體、釜蓋及剪切環(huán)等承壓零部件的材料為20MnMoNb鍛件，密封圈托架的材料為S30408鍛件，所有與工作介質(zhì)接觸的受壓元件內(nèi)壁均為TP.309L+TP.308L材料的堆焊層，厚度不小于5 mm，該材料和加工工藝已在多個類似項目中應用多年，產(chǎn)品質(zhì)量可靠、運行良好，該設備的主體材料及參數(shù)如表1所示。該設備的結構參數(shù)中，較關鍵的兩個尺寸計算過程如下。

表1 主體材料及參數(shù)

1.1 釜體主要尺寸

根據(jù)實際生產(chǎn)需要及場地空間要求，設計釜體內(nèi)徑Di=1010 mm，通過下式可以得到釜體厚度：

式中：δt為釜體計算厚度，δn為名義厚度（向上圓整至標準規(guī)格），δe為有效厚度。

1.2 釜底主要尺寸

通過查詢GB/T 150.3—2011中表5-10和圖5-21數(shù)據(jù)，可以得到該設備中涉及的平蓋系數(shù)K取值為0.175 7，通過下式可以得到釜底厚度：

式中，δd為釜底計算厚度。

結合式（2）、式（3）進而求出名義厚度和有效厚度。

2 有限元模型建立

根據(jù)耐壓試驗設備的圖樣要求，該設備按照GB/T 150—2011標準設計，由于剪切環(huán)和料架結構和受力情況復雜，采用GB/T 150—2011已無法滿足計算要求，根據(jù)該標準中附錄E中關于“局部結構應力分析和評定”的規(guī)定，對于容器總體按照GB/T 150—2011設計，局部結構采用應力分析的方法。應力分類及應力分析結果的評定方法、局部結構的制造、檢驗和驗收要求均遵循JB 4732—1995的相關規(guī)定。

根據(jù)該耐壓試驗設備的結構特點，本文中僅進行殼體、剪切環(huán)和料架、釜蓋模型的應力分析，其余部位由常規(guī)計算保證，在此不再分析計算。

2.1 三維模型

為了避免ANSYS Workbench軟件中建模的復雜性，本文選用SolidWorks軟件進行耐壓試驗設備三維模型的建立。為了節(jié)約計算時間，對模型進行了簡化處理。為了保證分析結果的可靠性和加快模型分析進程，僅選擇部分模型進行分析：1）模型一（殼體+剪切環(huán)）。根據(jù)殼體和剪切環(huán)的結構特點及載荷特性，本文取1/8模型進行分析，如圖1所示。2）模型二（料架+釜蓋）。根據(jù)料架和釜蓋的結構特點及載荷特性，本文取1/2模型進行分析，如圖2所示。將三維模型導入ANSYS Workbench軟件中。

圖1 模型一（殼體+剪切環(huán)）

圖2 模型二（料架+釜蓋）

2.2 單元選擇及網(wǎng)格劃分

本文選用ANSYS Workbench軟件進行應力分析計算，應力評估遵照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》中的分析設計一般準則進行。

有限元分析中網(wǎng)格劃分可以分為自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和掃略網(wǎng)格等，每一種劃分方法各有其特點和應用場合，其中映射網(wǎng)格劃分方法可以減少計算所需的資源、加快計算速度，在節(jié)點個數(shù)相同的情況下精度更高，結合本模型的結構特點，選擇映射網(wǎng)格方法進行劃分，劃分結果如圖4、圖5所示。模型一（殼體+剪切環(huán)）如圖3所示。模型二（料架+釜蓋）如圖4所示。

圖3 模型一網(wǎng)格劃分

圖4 模型二網(wǎng)格劃分

圖5 模型一邊界條件

2.3 邊界條件

根據(jù)該耐壓試驗設備的具體使用條件，本文中規(guī)定了該設備應力分析時的邊界條件，并對部分計算過程進行如下說明。

2.3.1 模型一（殼體+剪切環(huán)）

邊界條件的位置和方向如圖5所示。

1）位移邊界條件。殼體底面：釜底固定，允許筒體向外自由膨脹，限制筒體旋轉。XOY、XOZ平面內(nèi)施加對稱約束。

2）力邊界條件。殼體、封頭內(nèi)表面受內(nèi)壓P，接管等效壓力F計算公式為

式中，R=d0/d為接管外徑與內(nèi)徑之比。

釜體、釜蓋內(nèi)表面受內(nèi)壓，即設計壓力P＝32 MPa；剪切環(huán)槽內(nèi)施加10 kg（根據(jù)該設備密封結構設定此值）負載，即推力F=100 N。

2.3.2 模型二（料架+釜蓋）

邊界條件的位置和方向如圖6所示。

圖6 模型二邊界條件

1）位移邊界條件。釜蓋表面：釜蓋頂部固定，XOY平面內(nèi)施加對稱約束。

2）力邊界條件。料架每層托板承受測試件重力及自身重力，每層質(zhì)量約250 kg，即F=2500 N。

3 應力分析及強度評定

3.1 模型一（殼體+剪切環(huán)）

殼體和剪切環(huán)的應力分布如圖7所示。

圖7 模型一應力分析

最大應力出現(xiàn)在釜底內(nèi)部倒圓角處，最大應力值為476.6 MPa，大于材料的設計應力強度（230 MPa），需對危險部位進行應力線性化，如圖8所示，選擇A～E共5條路徑進行應力線性化，根據(jù)JB 4732—1995中表4-1和表5-1可以得到，該設備應重點關注局部薄膜和二次應力的受力情況，另外載荷組合系數(shù)K值應根據(jù)該標準中的表3-3選取。

圖8 模型一應力線性化路徑

應力線性化數(shù)據(jù)及校核結果如表2所示，根據(jù)JB 4732—1995中5.3節(jié)提出的各類應力強度的許用極限，得到表2中的評定條件，可以看到5條路徑的應力線性化均滿足評定要求，即符合該設備設定的耐壓條件。

表2 應力線性化數(shù)據(jù)及校核結果

3.2 模型二（料架+釜蓋）

料架和釜蓋的應力分布如圖9所示。

圖9 模型二應力分析

最大應力出現(xiàn)在螺釘與釜蓋連接處，最大應力值為60.755 MPa，小于材料的設計應力強度137 MPa，滿足該設備設定的耐壓條件。

4 疲勞分析

4.1 本體疲勞計算

從應力分析結果可見，最大應力點在釜底內(nèi)部倒圓角處，整個設備各點操作狀態(tài)相同，故選擇該處進行疲勞分析。

總應力強度是在設計條件（設計壓力和設計溫度）下求得，故在求交變應力強度幅值時應乘以操作壓力差與設計壓力的比值。

4.2 正常工作循環(huán)

在整個應力循環(huán)（設計載荷P=32 MPa，工作循環(huán)范圍為0 MPa→30 MPa→0 MPa）中，總應力強度σT=476.6 MPa，故在求交變應力強度幅值時應乘以相應系數(shù)，即

按照JB 4732—1995標準中C2.2節(jié)要求進行計算：

根據(jù)設計疲勞曲線查到設計許用應力下的循環(huán)次數(shù)N＝16000 次，實際循環(huán)次數(shù)n＝7500 次，故該耐壓試驗設備在使用年限范圍內(nèi)的開啟次數(shù)滿足使用要求。

5 結論

通過上述的應力分析和疲勞分析結果可以看出，本文中提出的耐壓試驗設備的結構、尺寸設計合理，能夠滿足強度和應力的計算要求，為該設備的使用提供了可靠的理論依據(jù)，該耐壓試驗設備的成功使用也將提高海底節(jié)點產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，為海洋石油勘探技術的發(fā)展提供有力保證，為保障國家能源安全貢獻力量。