搜索有限元分析在防喷器关键部件设计中的应用
2013-06-07 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
带压作业闸板防喷器的关键部件是密封胶心和壳体,分别采用尼龙与帘线一丁氰橡胶复合材料和合金钢锻件制造。以solidworks及Cosmos有限元软件为平台建立了数值模型,对胶心和壳体进行了受力数值模拟计算。计算结果表明,在20 MPa的压力作用下,胶心接触压力最大值位于尼龙下端棱角位置,达9.7 MPa,橡胶翼板无明显应力集中现象,胶心结构强度满足要求;壳体在系统压力为35 MPa时,其内壁最大应力为222 MPa,安全系数为2.8,满足设计要求。有限元数值模拟为带压作业闸板防喷器的设计提供了参考依据。
作者: 付海龙*王金友*贾光政*常玉连 来源: 万方数据
关键字: 带压作业 闸板防喷器胶心 壳体有限元法
引 言
带压作业是指在井口有压力的情况下,通过带压作业设备控制井口压力,实现井口密封,进行起下管柱作业或实施增产措施的一种先进修井作业工艺。生产井带压作业能有效解决作业过程中压井液对油层产生的污染问题,既保护了油层,又提高了油气井产量;注水井带压作业可以解决卸压造成的能量损失或放喷污染环境问题,既节能又环保。
闸板防喷器是带压作业设备的核心装置,通过防喷器胶心的开启和关闭来控制井口密封,从而完成带压作业过程。因此,闸板防喷器各组成部件的结构强度和密封件的密封能力、寿命成为带压作业设备的关键因素。笔者利用有限元法,建立闸板防喷器关键部件的力学分析模型,并进行分析计算,为关键部件的结构设计提供有益参考。
带压作业闸板防喷器工作原理
带压作业主要设备由上、下闸板防喷器,上、下接箍探测器,压力平衡短节,上、下压力平衡控制阀及压力管汇组成,如图1所示。上、下闸板防喷器是带压作业系统的核心装置,主要结构包括壳体、驱动油缸、闸板密封总成以及铰链总成等;闸板密封总成主要由夹持器、盖板、前部胶心、顶部胶心、螺钉等组成。闸板防喷器的关键部件是防喷器壳体和前部密封胶心。
防喷器壳体用较厚的合金钢制成,可承受较高的压力。前部密封胶心通常为合成橡胶材料,具有较高的强度和韧性。闸板密封工作时,液压系统推动活塞杆运动,从而带动闸板靠向被密封管柱。当胶心与管柱接触时,胶心被推挤产生轻微的弹性变形,紧密地挤压在被密封的管柱上实现密封。上下闸板防喷器交替开合,可使被密封管柱接箍顺利通过,从而实现管柱的带压起下作业。
有限元模型建立
1.有限元法
有限元法是一种有效的数值计算方法,已在石油装备设计方面获得广泛应用。基本思想是将连续的结构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点,在每一个单元中假设特定的插值函数,建立用以求解节点未知量的有限元法方程组,同时追加边界条件进行求解,最终确定单元乃至整个集合体的变量值。
采用数值模拟技术对结构进行受力和分析,能在设计或加工制造前预知结构的危险部位。预测结构的大概破坏情况,从而采取解决措施。
2.有限元模型
(1)前部密封胶心模型 前部密封胶心是闸板防喷器实现密封的核心元件。封井工作时,高压油进入油缸关闭腔,推动左右闸板总成,同时向井口中心移动,致使胶心前部橡胶环状部分与管柱接触,左右闸板胶心前部橡胶平面部分彼此相互紧密接触。这种工作条件决定了胶心材料必须具有较强的抗挤强度和韧性,且具备耐油耐磨损特性。因此,在胶心设计中,采用了帘线一丁氰橡胶复合材料,使其较之天然橡胶有更大的线膨胀系数和良好的抗张模量,同时硫化的帘线网格骨架大大提高了胶心的强度。
实际上,胶心密封过程推挤、摩擦频率高,加之丁腈橡胶经常性使用极易热氧老化,进而引起硬化发脆而破坏,尽管利用橡胶补强措施,能使橡胶的拉伸强度、撕裂强度及耐磨耗性等获得提高,但因磨损、溢胶而导致胶心破坏的防喷器不在少数。为此,笔者设计采用了尼龙材料与帘线一丁氰橡胶复合材料配合使用的结构。图2为单闸板胶心有限元模型。尼龙材料嵌于胶心内孔,密封工作时直接与管柱接触以增强耐磨性,橡胶端面则以对称接触形式实现密封。
(2)防喷器壳体模型 防喷器承压件均采用防硫材料的优质锻件,能有效地防止由于主体材料缺陷在含硫介质中产生电化学失重腐蚀、氢脆以及硫化物的应力腐蚀造成装置的脆断(裂),总体性能可靠。图3为闸板防喷器主壳体的实体模型。该防喷器壳体的材料为合金钢,经调质处理后,硬度可以达到207~237HB,屈服极限和强度极限分别达到520和655 MPa,满足常规高压井压井作业要求。
结构有限元计算
密封胶心和起支撑、基础作用的壳体是闸板防喷器的两大关键部件,以SolidWorks及Cosmos有限元软件为平台建立数值模型,对其进行受力模拟计算,以指导设计。
1.胶心结构的有限元计算
利用有限元软件前处理模块对胶心结构进行约束定义、材料设定和网格划分。.模型离散后产生7 391个节点、11 815个单元,其材料参数见表l。胶心整体前端面设为固定约束,橡胶背面施加20 MPa的液体压力,完成非线性静力计算。根据计算结果,橡胶部分较之尼龙材料变形大,在橡胶和尼龙下端接合位置挤压变形最大,产生相对位移4.131 mm,见图4a;从接触应力分布来看,嵌套在内的尼龙材料较之橡胶翼板接触压力大,最大值位于尼龙下端棱角位置,达9.697MPa,橡胶翼板无明显应力集中现象,如图4b所示。上述计算说明,该型式的胶心结构在强度上满足许用条件。
2.防喷器壳体的有限元计算
针对闸板防喷器壳体结构特点,采用solid45单元类型,共划分58 366个节点、91 212个单元,选择合金钢材料模型,基本参数见表2。
将防喷器壳体的上下法兰和左右螺纹孔固定,并在壳体的内接触面上施加35 MPa的液体压力,完成静力计算。
计算结果表明,该防喷器壳体在35 MPa液体内压作用下,最大变形位移0.087 mm,位置在防喷器壳体的对称两侧壁上,见图5a。壳体内腔的4个棱角处比其它部位应力较为集中,见图5b,其中内壁最大应力为222 MPa,大大低于屈服强度620 MPa,安全系数达到2.8,符合油田井控设备设计要求。
综上所述,可得如下结论:
(1)闸板防喷器前部密封胶心采用尼龙与帘线.丁氰橡胶复合材料配合使用的设计结构,在力学性能上能够满足带压作业工艺需要。这为防喷器胶心在保证可靠性的前提下,增强其他辅助性能提供了设计参考依据。
(2)选择合金钢锻件为防喷器壳体材料,经调质处理,在35 MPa液压下,安全系数可达2.8。
(3)以有限元软件为平台建立数值模型,对闸板防喷器的关键部件进行受力模拟计算,可获得接近真实的应力强度及变形分布规律。合理结合试验手段,可大大降低设计成本,缩短设计周期。
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