技术文章

高压油田阀门井口阀门理论

浙江四方阀门有限公司

2013/8/14 10:39:18

          

 

       采油树是井口装置的重要组件之一,主要由套管闸门、总闸门、生产闸门、清蜡闸门、油管四通或三通及油嘴等部件组成,用以控制和调节油井的自喷生产,引导喷出的油气进入输油管线,保证录取油压、套压、计量油、气产量、取样及清蜡等工作[1,2]。工作过程中,井口装置承受高压作用,是典型的特种设备,其每个组成零部件都需有足够的强度。因此,为了保证井口装置在运行过程中的安全性和使用寿命,对井口装置进行受力分析,找出应力分布规律和危险部位,对改进井口装置设计是必要的。
    闸阀是井口装置的关键部件,90年代中期,由于计算方法的限制,只能根据工程力学中的一些经验公式和简化方法来进行估算,这种计算并不能全面反映阀体这样复杂结构的受力情况,也不能给设计人员指出阀体的薄弱环节和改进措施。90年代后期,随着计算机技术和力学理论的发展,有限元法在阀门产品的设计和分析中发挥了重要作用[3,4]。笔者以某石油机械厂生产的井口装置用闸阀为例,采用有限元法和ANSYS平台对阀体的强度进行了计算,并将计算结果与简化计算结构进行了对比,为采油井口装置用阀体的设计和改进提供了参考依据。
    1 井口装置用闸阀阀体的理论简化计算
    闸阀阀体可简化为等壁厚的厚壁圆筒,其内径为r1、外径为r2,令r2/r1=k。若筒体轴向很长,且不计筒体端部的影响,筒体的几何形状、载荷和支承沿z轴均没有变化,筒体沿轴线方向的应变为常数。根据弹性力学理论和拉梅公式,可得在均匀内压p的作用下,筒壁上任一点处的径向应力σr、切向应力σt和轴向应力σz[5]:
         (1)
    其中径向应力σr为压应力,切向应力σt为拉应力,轴向应力σz为拉应力。zui大切向应力σmax出现在r=r1的内壁处,由式(1)可得:
        (2)
    井口装置闸阀阀体常选用塑性材料制成,故在对阀体进行强度计算时,选用第四强度理论进行校核。由第四强度理论(形状改变比能理论)可知阀体材料的等效应力σ应满足:
        (3)
    将闸阀阀体的内外径r1、r2,工作内压p代入式(3)计算,得内壁处等效应力σ=243MPa。
    2 井口装置用闸阀阀体的有限元分析
    2.1 阀体的设计参数
    井口装置用闸阀阀体结构如图1所示,阀门的技术条件如下:
    材料 ZG35Mo
    弹性模量 205GPa
    屈服极限 560MPa
    强度极限 720MPa
    泊松比 0.29
    工作温度 0~50e
    额定工作压力 0~35MPa
    水压试验压力 70MPa


图1 闸阀阀体结构示意图


    2.2 阀体模型的简化和建立
    基于ANSYS平台对DN52闸阀阀体进行了实体建模,建模过程中严格按照图纸要求进行,对不影响应力分析的铸造圆角、小的倒角等细小结构进行了简化。考虑到阀体的结构和载荷均对称,为节省计算资源,同时为了将阀体内腔暴露出来,便于载荷施加,取阀体的1/2模型进行计算。阀体为非规则的实体,采用10节点四面体单元,通过Te-tMesh完成对阀体的网格的自动划分,对可能产生应力集中的区域进行了网格的局部细化,网格划分结构如图2所示。


图2 网格划分


    2.3 边界条件和载荷
    阀体工作压力为35MPa,根据SY/T5127-20025《井口装置和采油树规范》可知,阀体的水压试验压力为70MPa[6,7]。考虑两种工况:工作时,阀体内表面施加载荷为35MPa;水压试验时,阀体内表面施加载荷为70MPa。
    阀门在工作时,阀体的外表面有较好的保温材料包裹,可认为阀体温度分布是均匀的,系统的热应力很小,在此不做分析。另外,在模型中没有考虑螺栓的预紧力和阀体自重产生的影响。
    由于对称性,规定xoy平面上不许有z方向位移。工作状态时,阀体的两端及顶端均与管线连接,而水压试验时,阀体的两端及中端均用盲板封住,并固定在试验装置上,故把阀体两端和顶端看作简支约束,在对称面和法兰各端上施加相应的位移约束。施加边界条件和载荷后的有限元计算模型如图3所示。


 

相关产品

猜你喜欢

当前客户在线交流已关闭
请电话联系他 :