搜索有限元分析在防噴器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
帶壓作業(yè)閘板防噴器的關(guān)鍵部件是密封膠心和殼體,分別采用尼龍與簾線一丁氰橡膠復(fù)合材料和合金鋼鍛件制造。以solidworks及Cosmos有限元軟件為平臺(tái)建立了數(shù)值模型,對(duì)膠心和殼體進(jìn)行了受力數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,在20 MPa的壓力作用下,膠心接觸壓力最大值位于尼龍下端棱角位置,達(dá)9.7 MPa,橡膠翼板無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,膠心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求;殼體在系統(tǒng)壓力為35 MPa時(shí),其內(nèi)壁最大應(yīng)力為222 MPa,安全系數(shù)為2.8,滿足設(shè)計(jì)要求。有限元數(shù)值模擬為帶壓作業(yè)閘板防噴器的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
作者: 付海龍*王金友*賈光政*常玉連 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 帶壓作業(yè) 閘板防噴器膠心 殼體有限元法
引 言
帶壓作業(yè)是指在井口有壓力的情況下,通過(guò)帶壓作業(yè)設(shè)備控制井口壓力,實(shí)現(xiàn)井口密封,進(jìn)行起下管柱作業(yè)或?qū)嵤┰霎a(chǎn)措施的一種先進(jìn)修井作業(yè)工藝。生產(chǎn)井帶壓作業(yè)能有效解決作業(yè)過(guò)程中壓井液對(duì)油層產(chǎn)生的污染問(wèn)題,既保護(hù)了油層,又提高了油氣井產(chǎn)量;注水井帶壓作業(yè)可以解決卸壓造成的能量損失或放噴污染環(huán)境問(wèn)題,既節(jié)能又環(huán)保。
閘板防噴器是帶壓作業(yè)設(shè)備的核心裝置,通過(guò)防噴器膠心的開啟和關(guān)閉來(lái)控制井口密封,從而完成帶壓作業(yè)過(guò)程。因此,閘板防噴器各組成部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封件的密封能力、壽命成為帶壓作業(yè)設(shè)備的關(guān)鍵因素。筆者利用有限元法,建立閘板防噴器關(guān)鍵部件的力學(xué)分析模型,并進(jìn)行分析計(jì)算,為關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。
帶壓作業(yè)閘板防噴器工作原理
帶壓作業(yè)主要設(shè)備由上、下閘板防噴器,上、下接箍探測(cè)器,壓力平衡短節(jié),上、下壓力平衡控制閥及壓力管匯組成,如圖1所示。上、下閘板防噴器是帶壓作業(yè)系統(tǒng)的核心裝置,主要結(jié)構(gòu)包括殼體、驅(qū)動(dòng)油缸、閘板密封總成以及鉸鏈總成等;閘板密封總成主要由夾持器、蓋板、前部膠心、頂部膠心、螺釘?shù)冉M成。閘板防噴器的關(guān)鍵部件是防噴器殼體和前部密封膠心。
防噴器殼體用較厚的合金鋼制成,可承受較高的壓力。前部密封膠心通常為合成橡膠材料,具有較高的強(qiáng)度和韌性。閘板密封工作時(shí),液壓系統(tǒng)推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)閘板靠向被密封管柱。當(dāng)膠心與管柱接觸時(shí),膠心被推擠產(chǎn)生輕微的彈性變形,緊密地?cái)D壓在被密封的管柱上實(shí)現(xiàn)密封。上下閘板防噴器交替開合,可使被密封管柱接箍順利通過(guò),從而實(shí)現(xiàn)管柱的帶壓起下作業(yè)。
有限元模型建立
1.有限元法
有限元法是一種有效的數(shù)值計(jì)算方法,已在石油裝備設(shè)計(jì)方面獲得廣泛應(yīng)用?；舅枷胧菍⑦B續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元,并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn),在每一個(gè)單元中假設(shè)特定的插值函數(shù),建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元法方程組,同時(shí)追加邊界條件進(jìn)行求解,最終確定單元乃至整個(gè)集合體的變量值。
采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力和分析,能在設(shè)計(jì)或加工制造前預(yù)知結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位。預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的大概破壞情況,從而采取解決措施。
2.有限元模型
(1)前部密封膠心模型 前部密封膠心是閘板防噴器實(shí)現(xiàn)密封的核心元件。封井工作時(shí),高壓油進(jìn)入油缸關(guān)閉腔,推動(dòng)左右閘板總成,同時(shí)向井口中心移動(dòng),致使膠心前部橡膠環(huán)狀部分與管柱接觸,左右閘板膠心前部橡膠平面部分彼此相互緊密接觸。這種工作條件決定了膠心材料必須具有較強(qiáng)的抗擠強(qiáng)度和韌性,且具備耐油耐磨損特性。因此,在膠心設(shè)計(jì)中,采用了簾線一丁氰橡膠復(fù)合材料,使其較之天然橡膠有更大的線膨脹系數(shù)和良好的抗張模量,同時(shí)硫化的簾線網(wǎng)格骨架大大提高了膠心的強(qiáng)度。
實(shí)際上,膠心密封過(guò)程推擠、摩擦頻率高,加之丁腈橡膠經(jīng)常性使用極易熱氧老化,進(jìn)而引起硬化發(fā)脆而破壞,盡管利用橡膠補(bǔ)強(qiáng)措施,能使橡膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及耐磨耗性等獲得提高,但因磨損、溢膠而導(dǎo)致膠心破壞的防噴器不在少數(shù)。為此,筆者設(shè)計(jì)采用了尼龍材料與簾線一丁氰橡膠復(fù)合材料配合使用的結(jié)構(gòu)。圖2為單閘板膠心有限元模型。尼龍材料嵌于膠心內(nèi)孔,密封工作時(shí)直接與管柱接觸以增強(qiáng)耐磨性,橡膠端面則以對(duì)稱接觸形式實(shí)現(xiàn)密封。
(2)防噴器殼體模型 防噴器承壓件均采用防硫材料的優(yōu)質(zhì)鍛件,能有效地防止由于主體材料缺陷在含硫介質(zhì)中產(chǎn)生電化學(xué)失重腐蝕、氫脆以及硫化物的應(yīng)力腐蝕造成裝置的脆斷(裂),總體性能可靠。圖3為閘板防噴器主殼體的實(shí)體模型。該防噴器殼體的材料為合金鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,硬度可以達(dá)到207~237HB,屈服極限和強(qiáng)度極限分別達(dá)到520和655 MPa,滿足常規(guī)高壓井壓井作業(yè)要求。
結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算
密封膠心和起支撐、基礎(chǔ)作用的殼體是閘板防噴器的兩大關(guān)鍵部件,以SolidWorks及Cosmos有限元軟件為平臺(tái)建立數(shù)值模型,對(duì)其進(jìn)行受力模擬計(jì)算,以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
1.膠心結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算
利用有限元軟件前處理模塊對(duì)膠心結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束定義、材料設(shè)定和網(wǎng)格劃分。.模型離散后產(chǎn)生7 391個(gè)節(jié)點(diǎn)、11 815個(gè)單元,其材料參數(shù)見表l。膠心整體前端面設(shè)為固定約束,橡膠背面施加20 MPa的液體壓力,完成非線性靜力計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,橡膠部分較之尼龍材料變形大,在橡膠和尼龍下端接合位置擠壓變形最大,產(chǎn)生相對(duì)位移4.131 mm,見圖4a;從接觸應(yīng)力分布來(lái)看,嵌套在內(nèi)的尼龍材料較之橡膠翼板接觸壓力大,最大值位于尼龍下端棱角位置,達(dá)9.697MPa,橡膠翼板無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,如圖4b所示。上述計(jì)算說(shuō)明,該型式的膠心結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上滿足許用條件。
2.防噴器殼體的有限元計(jì)算
針對(duì)閘板防噴器殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用solid45單元類型,共劃分58 366個(gè)節(jié)點(diǎn)、91 212個(gè)單元,選擇合金鋼材料模型,基本參數(shù)見表2。
將防噴器殼體的上下法蘭和左右螺紋孔固定,并在殼體的內(nèi)接觸面上施加35 MPa的液體壓力,完成靜力計(jì)算。
計(jì)算結(jié)果表明,該防噴器殼體在35 MPa液體內(nèi)壓作用下,最大變形位移0.087 mm,位置在防噴器殼體的對(duì)稱兩側(cè)壁上,見圖5a。殼體內(nèi)腔的4個(gè)棱角處比其它部位應(yīng)力較為集中,見圖5b,其中內(nèi)壁最大應(yīng)力為222 MPa,大大低于屈服強(qiáng)度620 MPa,安全系數(shù)達(dá)到2.8,符合油田井控設(shè)備設(shè)計(jì)要求。
綜上所述,可得如下結(jié)論:
(1)閘板防噴器前部密封膠心采用尼龍與簾線.丁氰橡膠復(fù)合材料配合使用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),在力學(xué)性能上能夠滿足帶壓作業(yè)工藝需要。這為防噴器膠心在保證可靠性的前提下,增強(qiáng)其他輔助性能提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。
(2)選擇合金鋼鍛件為防噴器殼體材料,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,在35 MPa液壓下,安全系數(shù)可達(dá)2.8。
(3)以有限元軟件為平臺(tái)建立數(shù)值模型,對(duì)閘板防噴器的關(guān)鍵部件進(jìn)行受力模擬計(jì)算,可獲得接近真實(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度及變形分布規(guī)律。合理結(jié)合試驗(yàn)手段,可大大降低設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期。
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