搜索有限元分析在防噴器關鍵部件設計中的應用
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
帶壓作業(yè)閘板防噴器的關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合材料和合金鋼鍛件制造。以solidworks及Cosmos有限元軟件為平臺建立了數(shù)值模型,對膠心和殼體進行了受力數(shù)值模擬計算。計算結果表明,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9.7 MPa,橡膠翼板無明顯應力集中現(xiàn)象,膠心結構強度滿足要求;殼體在系統(tǒng)壓力為35 MPa時,其內(nèi)壁最大應力為222 MPa,安全系數(shù)為2.8,滿足設計要求。有限元數(shù)值模擬為帶壓作業(yè)閘板防噴器的設計提供了參考依據(jù)。
作者: 付海龍*王金友*賈光政*常玉連 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: 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,通過帶壓作業(yè)設備控制井口壓力,實現(xiàn)井口密封,進行起下管柱作業(yè)或?qū)嵤┰霎a(chǎn)措施的一種先進修井作業(yè)工藝。生產(chǎn)井帶壓作業(yè)能有效解決作業(yè)過程中壓井液對油層產(chǎn)生的污染問題,既保護了油層,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)境問題,既節(jié)能又環(huán)保。
閘板防噴器是帶壓作業(yè)設備的核心裝置,通過防噴器膠心的開啟和關閉來控制井口密封,從而完成帶壓作業(yè)過程。因此,閘板防噴器各組成部件的結構強度和密封件的密封能力、壽命成為帶壓作業(yè)設備的關鍵因素。筆者利用有限元法,建立閘板防噴器關鍵部件的力學分析模型,并進行分析計算,為關鍵部件的結構設計提供有益參考。
帶壓作業(yè)閘板防噴器工作原理
帶壓作業(yè)主要設備由上、下閘板防噴器,上、下接箍探測器,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,主要結構包括殼體、驅(qū)動油缸、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,具有較高的強度和韌性。閘板密封工作時,液壓系統(tǒng)推動活塞桿運動,從而帶動閘板靠向被密封管柱。當膠心與管柱接觸時,膠心被推擠產(chǎn)生輕微的彈性變形,緊密地擠壓在被密封的管柱上實現(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,從而實現(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)值計算方法,已在石油裝備設計方面獲得廣泛應用?；舅枷胧菍⑦B續(xù)的結構離散成有限個單元,并在每一個單元中設定有限個節(jié)點,在每一個單元中假設特定的插值函數(shù),建立用以求解節(jié)點未知量的有限元法方程組,同時追加邊界條件進行求解,最終確定單元乃至整個集合體的變量值。
采用數(shù)值模擬技術對結構進行受力和分析,能在設計或加工制造前預知結構的危險部位。預測結構的大概破壞情況,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現(xiàn)密封的核心元件。封井工作時,高壓油進入油缸關閉腔,推動左右閘板總成,同時向井口中心移動,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的抗擠強度和韌性,且具備耐油耐磨損特性。因此,在膠心設計中,采用了簾線一丁氰橡膠復合材料,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,同時硫化的簾線網(wǎng)格骨架大大提高了膠心的強度。
實際上,膠心密封過程推擠、摩擦頻率高,加之丁腈橡膠經(jīng)常性使用極易熱氧老化,進而引起硬化發(fā)脆而破壞,盡管利用橡膠補強措施,能使橡膠的拉伸強度、撕裂強度及耐磨耗性等獲得提高,但因磨損、溢膠而導致膠心破壞的防噴器不在少數(shù)。為此,筆者設計采用了尼龍材料與簾線一丁氰橡膠復合材料配合使用的結構。圖2為單閘板膠心有限元模型。尼龍材料嵌于膠心內(nèi)孔,密封工作時直接與管柱接觸以增強耐磨性,橡膠端面則以對稱接觸形式實現(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)生電化學失重腐蝕、氫脆以及硫化物的應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,硬度可以達到207~237HB,屈服極限和強度極限分別達到520和655 MPa,滿足常規(guī)高壓井壓井作業(yè)要求。
結構有限元計算
密封膠心和起支撐、基礎作用的殼體是閘板防噴器的兩大關鍵部件,以SolidWorks及Cosmos有限元軟件為平臺建立數(shù)值模型,對其進行受力模擬計算,以指導設計。
1.膠心結構的有限元計算
利用有限元軟件前處理模塊對膠心結構進行約束定義、材料設定和網(wǎng)格劃分。.模型離散后產(chǎn)生7 391個節(jié)點、11 815個單元,其材料參數(shù)見表l。膠心整體前端面設為固定約束,橡膠背面施加20 MPa的液體壓力,完成非線性靜力計算。根據(jù)計算結果,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)生相對位移4.131 mm,見圖4a;從接觸應力分布來看,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9.697MPa,橡膠翼板無明顯應力集中現(xiàn)象,如圖4b所示。上述計算說明,該型式的膠心結構在強度上滿足許用條件。
2.防噴器殼體的有限元計算
針對閘板防噴器殼體結構特點,采用solid45單元類型,共劃分58 366個節(jié)點、91 212個單元,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,完成靜力計算。
計算結果表明,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稱兩側壁上,見圖5a。殼體內(nèi)腔的4個棱角處比其它部位應力較為集中,見圖5b,其中內(nèi)壁最大應力為222 MPa,大大低于屈服強度620 MPa,安全系數(shù)達到2.8,符合油田井控設備設計要求。
綜上所述,可得如下結論:
(1)閘板防噴器前部密封膠心采用尼龍與簾線.丁氰橡膠復合材料配合使用的設計結構,在力學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,增強其他輔助性能提供了設計參考依據(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2.8。
(3)以有限元軟件為平臺建立數(shù)值模型,對閘板防噴器的關鍵部件進行受力模擬計算,可獲得接近真實的應力強度及變形分布規(guī)律。合理結合試驗手段,可大大降低設計成本,縮短設計周期。
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