HYDRIL环形防喷器壳体的有限元分析.pdf

第2期
HYDRIL环形防喷器壳体的有限元分析
王娟虎,莫丽
(西南石油大学机电工程学院,四川成都610500)
[摘要]用PRO/ E Mechanica1对PH35-70环形防喷器壳体建模,用 ABAQUS有限元分析软件对其受力进行数值模拟。计算结果
表明:在105MPa静水压力试验エ汎下,最大等效应力和最大位移都出现在防喷器壳体环形腔体的最上面区城;在70MPa额定
エ作压力工况下,最大的等效应力和最大位移也出现在同样位置,最大等效应力小于屈服极限,売体安全系数为1,21,满足
API规范设计要求。
关键词] HYDRIL;环形防喷器;壳体;应力;有限元分析
防喷器是石油装备中井控设备的核心组件。
防喷器质量和性能的好坏直接影响油气井压力控
制叫,进而决定着井控效果。壳体是环形防喷器承
受高压的主体部件,壳体的结构强度对于井控至
关重要。对环形防喷器的壳体进行有限元数值模
拟分析可了解它的应力分布和危险点,判断它的
强度是否满足设计要求叫。目前,对于 HYDRILI的
环形防喷器壳体的相关数值模拟计算,文献报道
相对较少。本文采用 PRO/E wildfire4.0对 HYDRIL
的FH35-70的壳体建立数值模型,用 ABAQUS分析
软件分析计算壳体应力,给出了静水压试验压力1-顶盖:2-防磨板;3胶芯;4活塞:5支撑简:6-売体
和额定工作压力工况下单元应力数值云图及位移
图1 HYDRIL环形防喷器主要结构图
数值云图,并按照压力容器规范对有限元计算结
果进行分析和强度验证,结果表明其强度满足要2建立有限元模型
求
本文分析的 BYDRIL防喷器型号为FH35-70,
其公称通径为346mm,额定压力为70MPa。该防
I HYDRIL环形防喷器主要结构和工作原理
喷器壳体与顶盖之间用螺纹连接,下部与法兰连
HYDRIL3环形防喷器主要由项盖、防磨板、接。在用PRO/ E wildfire4.0建模时,简化省却
胶芯、活塞、支撑筒及壳体组成,如图1所示。了不影响分析结果的部分,如吊耳、油孔和法兰
当发生溢流关闭环形防喷器时,从控制系统来的孔、壳体与顶盖连接的螺纹,因简化后的模型是
高压油进入关闭腔,推动活塞上行。在顶盖的限轴对称的,还有施加的载荷和边界条件也是轴对
制下,迫使胶芯向井眼中心运动,将中间的橡胶称的,所以用 ABAQUS软件分析时采用四分之
挤向井口中心,实现密封钻具和全封井口。打开模型?。
时,从控制系统来的高压油进入开启腔,推动活
塞下行,胶芯在本身橡胶弹性力的作用下复位,
3有限元计算
将井口打开。从工作原理可看出环形防喷器的核3.1材料性能
心部件是胶芯和壳体,胶芯坏了可以更换,但是
HYDRIL环形防喷器壳体为25 CRNIMO合金渗
若壳体的强度不够,意味着整个防喷器报废,壳碳钢,由铸造成型,该类钢材因有碳原子滲入表
体是关键部件。
作者简介:王娟虎(1982-),女,甘肃人,硕土研究生,西南
石油大学机电工程学院在读,主要从事有限元仿真方面的研究。
石油和化工设备
28-■论文广场
2013年第16卷
面使得防喷器壳体具有高碳钢的表面层,再经过栓,下端面与防喷器壳体连接,内腔加水进行静
淬火和低温回火,使防喷器壳体的表面层具有高水压力试验,所以有限元分析时在防喷器壳体四
硬度和耐磨性,而中心部分仍然保持着低碳钢的分之一模型的两个对称面上施加对称约束,在壳
初性和塑性。用 ABAQUS软件分析时,材料的属体的下法兰面和防喷器壳体的上端面采用位移约
性参照表1。
束,在环形防喷器内腔施加均布载荷,见图3。
表1防喷器材料参数性能
4计算结果
材料
弹性模量泊松比屈服极限强度极限
有限元模拟的是105MPa(1.5倍额定工作压
(调质处理)E/MPa
oo/Mpa o wpa」カ)静水压试验,计算结果表明,最大等效应
2CNi2.06x10?0.36176656カ6402MPa(见图5),最大位移1.49m(见图
3.2网格划分
6),都出现在防喷器壳体环形腔体最上面的区
域,640.2MPa1.356s=697.95MPa7,说明设计
针对防喷器壳体的结构特点,选取Soid45单强度满足API规范。在当有限元模拟的是70MPa
元类型?,采用四面体网格形状进行网格划分,在额定工作压力时,计算结果表明,最大等效应力
承载面上细化网格,共划分19560个节点、163854268MPa(见图7)和最大位移099m(见图8)
个单元,见图3。
都出现在防喷器壳体环形腔体的最上面的区域,最
大等效应力426.8MPa小于屈服极限51TMPa,说明在
70MPa额定压力下,防喷器的壳体处于弹性状态
安全系数是1.21,说明它是安全的
S, Mis
(平75%)
+6,402e+
e39
图2壳体有限元网格划分
图5壳体在105MPa静水压力下的应力分布云图
U, Magnitude
1,499e+00
1,385e+00
+1,270e+00
1,155e+00
9,262e-01
8,1
+6,969e-0
+5,823e-01
+4,676e-01
3.530e-01
1,237e-01
图3施加的约束和载荷
3.3施加边界条件和载荷
用 ABAQUS软件分析时,模拟的是静水压试
验工况一防喷器顶盖上端面用盲板封闭,装上螺
图6壳体在105MPa静水压力下的位移云图