双闸板防喷器壳体非线性有限元分析
水下闸板防喷器有限元建模及关井仿真分析
- 31 -第9期水下闸板防喷器有限元建模及关井仿真分析王鹏，张士超，葛伟凤（中海油安全技术服务有限公司， 天津 300450）[摘 要] 水下闸板防喷器在关井时井筒压力作用下闸板与壳体的相互作用应力复杂。
为分析闸板防喷器关井状态时闸板与壳体的受力状态，在建立整套闸板防喷器三维仿真模型的基础上，对其承压壳体及双闸板进行了有限元分析计算。
结果表明：防喷器闸板及壳体在额定载荷作用下均满足强度要求；防喷器高应力区域集中在壳体及闸板的接触部位，在防喷器检查及维保中应重点关注，确保钻井作业井控安全。
[关键词] 闸板；防喷器；有限元；井控作者简介：王鹏（1985—），男，湖北红安人，2008年毕业于长江大学石油工程专业，获学士学位，工程师，现从事海洋石油井控设备安全评估与检查工作。
水下防喷器是深水钻井作业不可或缺的井口承压设备[1]。
构造复杂的防喷器壳体作为防喷器最主要的承载部件，在瞬间关井载荷作用下的应力分布对分析其结构的安全性非常重要[2-3]。
唐洋等针对防喷器壳体进行了额定压力下应力试验及有限元分析确定了应力分布规律[4]，付海龙、马卫国等研究了带压作业情况下闸板胶芯的受力情况[5-6]，但目前少有针对关井后闸板与防喷器壳体相互作用应力研究。
闸板防喷器在关井动作时，由于受到井筒压力作用，闸板与壳体的相互作用载荷很大，因此有必要分析闸板防喷器工作时闸板与壳体的受力状态，为水下防喷器的安全评估提供参考依据。
1 几何模型的建立应力分析的关键及基础即是有限元模型建立。
为了使仿真分析结果更加贴近实际，在此依据图纸最大限度还原了水下闸板防喷器的三维实体模型。
1.1 结构组成闸板防喷器主要由闸板密封、侧门密封、液压锁紧等结构组成，可依据钻井作业需要配置高抗硫剪切全封闸板总成、管柱闸板总成或大范围变径闸板总成；防喷器采用液压开关侧门，实现快速更换闸板；采用液压自动锁紧闸板方式，可同步锁紧与关闭闸板，解锁与开启油路顺序操作；壳体、闸板体、侧门等承压件采用高强度、高韧性低合金材料，保证防喷器使用安全可靠；与井液接触的密封表面及钢圈槽堆焊耐蚀合金，其他密封沟槽及密封配合表面进行防腐处理，保护密封部位不被海水腐蚀；壳体的闸板腔体采用长圆形截面，腔室结构尺寸小，采用大圆弧光滑连接，减小结构不连续造成的应力集中；闸板体采用长圆形整体结构，前密封和顶密封可根据损坏情况单独更换，底部镶嵌耐磨板，减少闸板与壳体的磨损、拉伤等；侧门密封采用浮动密封结构，减少侧门螺栓的上紧力矩，提高密封可靠性。
旋转防喷器壳体设计及关键部件有限元分析
旋转防喷器壳体设计及关键部件有限元分析
曹敏;常锡振
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2018(031)006
【摘要】旋转防喷器为钻井施工提供安全有效的压力控制,是井口安全控制的关键设备.通过对旋转防喷器壳体的设计计算及旋转防喷器关键部件的静力学分析,结果表明设计的旋转防喷器壳体满足强度要求,为旋转防喷器的设计提供可靠的依据.【总页数】2页(P109-110)
【作者】曹敏;常锡振
【作者单位】常州铁道高等职业技术学校,江苏常州 213011;江苏天麒工业环境科技有限公司,江苏常州 213000
【正文语种】中文
【中图分类】TH12
【相关文献】
1.HYDRIL环形防喷器壳体的有限元分析 [J], 王娟虎;莫丽
2.2FZ35-70型无侧门螺栓双闸板防喷器壳体有限元分析 [J], 张川;宋振华;郑泳;袁洁;刘鸣;唐秋林;佘晓梅;林勇;郑栋天
3.旋转防喷器壳体的有限元分析及优化设计 [J], 费根胜;李斌;杨春雷;陈珂
4.环形防喷器壳体有限元分析及试验研究 [J], 赵军;唐洋
5.带压作业闸板防喷器关键部件的有限元分析 [J], 付海龙;王金友;贾光政;常玉连
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闸板防喷器结构与应用
闸板防喷器 结构与应用
讲课人：管风营
01
闸板防喷器的类型
02
闸板防喷器的结构
03
闸板防喷器的功能
04
工作原理和开关井步骤
05
使用注意事项
课程内容
CONTENTS
一、闸板防喷器的类型
单闸板防喷器 双闸板防喷器 三闸板防喷器 1.根据闸板数量分为：
按闸板本身结构： 全封 半封 闸板防喷器的类型 剪切 变径
关井步骤：
液压关井
手动锁紧
液控泄压
开井步骤：
手动解锁
液压开井
液控泄压
动画步骤
闸板防喷器的功能
目 录
工作原理和开关井步骤
闸板防喷器的类型
使用注意事项
闸板防喷器的结构组成
使用前的检查
1
现场使用注意事项
2
五、使用注意事项
出厂试压是否合格； 闸板芯子是否与井下管材一致； 检查是否安装正确； 开关检查开关是否一致； 现场试压合格；
01
闸板防喷器的类型
02
闸板防喷器的结构
03
闸板防喷器的功能
04
工作原理和开关井步骤
05
使用注意事项
目 录
CONTENTS
结构组成
01
机械锁紧装置
02
四处密封
03
结构特点
04
二、闸板防喷器的结构
侧门 闸板 立体结构 结构组成
01
缸盖
锁、机械锁紧装置
01
前密封
02
顶密封
使用前的检查
使用注意事项
1
2
3
1
）专人负责，落实职责；
）防喷器是否开关到位的正确判断；
单闸板防喷器主壳体的有限元分析及结构优化
( 6)! 5 ()$%来自’*+,-!! 6 ()$%&’"#,-!
运用软件进行有限元分析的一般过程如下 : (1) 按照实 际形状 , 用三维 CAD 软件 ( 或有 限元软件自 带的前 处理器) 建立三 维实体几何模 型 ( 本 文中考虑 到 Ansys 建模功 能不 是十分 强大和 Pro/E 与 Ansys 良好 的接 口技术 , 故 应用 Pro/E 进行建模) ; (2) 在有限元软件环境下建立分析数据库 , 导入三维实体几何 模型 , 建立有限元模型数据库 ; (3) 加入材料信息 ; 加入约束和载荷 ( 如 (4) 指定有限元网格类型进行单元格划分、 图 1) ; (5) 指定分析类型 ; (6) 进行后处理并显示结果。 按照以上过程 , 对主壳体初步 分析的位移图 ( 如图 2) 、 应 力图 ( 如图 3) 。 通过位移图、 应力图得知 , 最大位移和最大应力都出现在 了主 阀体与闸板 总成轨道 相贯处 , 最大 位移 0.04861 ㎜ , 最大 应力 132.145
( 5)
依照剪力方程和弯矩方程作剪力图 8 和弯矩图 9
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! 9 EF!
最大弯矩的绝对值 12.8 kN/m, 出现在截面的中 心位置 , 与 ANSYS 分析的结果相同。现在用积分法求弯曲变形 ( 如图 10) , 挠曲线近似微分方程 :
d3ν = M EI dx2
Equipment Manufactring Technology NO.2 , 2007
JKL!"#$%&’MNO-./PQ01
RST, VWX
( 西安工业大学 , 陕西 西安 710032)
井口防喷阀有限元分析与结构优化
进行 分析 。建模 过程 中使 用 了 拉伸 、旋 转 、创 建 参 照 平 面 和镜 像 等 工 具 ，完 成 后 的模 型 如 图 ２ （ ）所 ａ
示 ，并将 其保 存 为 Ｉ Ｅ Ｇ Ｓ格 式 的文件 ，便 于 ＡＮＳ ＹＳ进 行调 用 。 、
２ 阀 体 的 有 限 元 分析
２ １ 建 模 ．
井 口 防 喷 阀 有 限 元 分 析 与 结 构 优 化
王 茹 ，甄 万 林 （ 中石油吐哈油田分 公司鄯善采油厂， 新疆 鄯善 ８￣０） ３２ｚ
徐 杉５ ， Ｉ 园 胡 霞 （ 长江大学机械工程学院， 湖北 荆州 ４４２） ３０３
［ 要 ］ 采 用 Ｐ ／ 与 ＡＮＳ Ｓ的 无 缝 连 接技 术 ，对 某 型 号 的双 闸 板 防 喷 阀 阎体 进 行 了三 维 实 体 建 模 和 有 摘 ＲＯ Ｅ Ｙ
［ 稿 日期 ］ ２ ０ 收 ０ ９～１ ２—１ ２ ［ 者简介 ］王茹 （９２ ） 作 １ ８ 一 ，女 ，２ ０ ０ ４年 大 学 毕 业 ，助 理 工 程 师 ，现 主要 从 事设 备 管 理 方 面 的 研 究 工 作 。
长江大学学报 （ 然科学版）Βιβλιοθήκη 自 ２１年 ３ ００ 月
（） ａ 导入 前
Ｐ Ｒｏ／ Ｅ进 行 实体 建模 ，并 利 用 Ｐ ＲＯ／ Ｅ与有 限元 分 析软 件 ＡＮＳ ＹＳ的通 道 ，将 模 型导入 ＡＮＳ ＹＳ进 行强 度分 析并 提 出优 化 方案 。
１ 实 体 模 型 的建 立
１ １ 防 喷 阀 的 结 构 及 工 作 原 理 ．
防 喷 阀 自上 而 下 由上 部 连 接 法 兰 、本 体 、下 端
由于 ＡＮＳ ＹＳ中没有 单 位制 ，因此 ，在 Ｐ ／ Ｒｏ Ｅ建 模 时事 先 要进 行 单 位 的设 置 ，这样 能 确 保导 出 的
FZ35-70闸板防喷器
尊敬的用户：在您使用本防喷器前，请务必阅读本使用手册，本手册介绍了各部分的结构原理和技术参数以及基本操作步骤，提供了零件资料、易损件资料，提供了安装、使用、贮存方法和一些必要的维修和检查程序。
为您提供的闸板防喷器型号为（打√标记）:□FZ35－70：产品代号（P/N）：RS11818制造编号（Serial Number）：□2FZ35－70：产品代号（P/N）：RS11819制造编号（Serial Number）：请您妥善记录以上信息，以便将来维修或提供产品服务。
本产品使用中有任何问题，可与我公司联系，联系时请您提供以上信息。
华北石油荣盛机械制造地址：中国.省任丘市会战道062552Tel: 0Fax: 0E-mail: 目录1.用途 (1)2.技术参数 (1)2.1.RS闸板防喷器型号说明 (1)2.2.闸板防喷器的技术参数 (3)3.工作原理 (5)3.1. 液动锁紧闸板开关动作原理 (5)3.2. 手动锁紧闸板开关动作原理 (7)3.3.井压密封原理 (9)4.主要零部件结构及特点 (9)4.1.结构特点 (9)4.2.管柱闸板 (10)4.3.剪切闸板 (11)4.4.闸板轴密封机构 (13)4.5.二次密封机构 (14)4.6.侧门密封圈 (16)5.产品零部件明细 (17)6.安装、使用及注意事项 (25)6.1.使用前的准备工作 (25)6.2.使用方法及注意事项 (26)7.维护与保养 (27)7.1.闸及板闸板密封胶芯的更换 (28)7.2.液缸总成的修理与更换 (29)7.3.侧门密封圈的更换 (32)7.4.开、关活塞杆的拆装 (32)7.5. 液压锁紧总成的维修 (33)8.胶件的存放 (35)9.常见故障及处理方法 (35)1.用途闸板防喷器是井控装置的关键部分，主要用途是在钻井、修井、试油等过程中控制井口压力，有效地防止井喷事故发生，实现安全施工。
具体可完成以下作业：1)当井有管柱时，配上相应管子闸板能封闭套管与管柱间环形空间；2)当井无管柱时，配上全封闸板或剪切闸板可全封闭井口；3)当处于紧急情况时，可用剪切闸板剪断井管柱，并全封闭井口；4)在封井情况下，通过与四通及壳体旁侧出口相连的压井、节流管汇进行泥浆循环、节流放喷、压井、洗井等特殊作业；5)与节流、压井管汇配合使用，可有效地控制井底压力，实现近平衡压井作业。
2FZ18—35型小修作业用双闸板防喷器壳体设计
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［ ］ 赵 立 新 ， 明 虎 ． 液 水 力 旋 流 器 流 场 特 性 与 分 离 特 ２ 蒋 液一 性 研 究 （ ）操 作 参 数 对 分 离 特 性 的 影 响 ［ ］ 化 工 装 七 ： Ｊ．
备 技 术 ，００ ２ ２ ：－． ２ ０ ， １（ ） ５８ Ｉ］ 徐继润 ， － ３ 罗 茜 ． 力 旋 流 器 流 场 理 论 Ｅ ． 京 ： 学 水 Ｍ］ 北 科
西 安 ： 安 电子 科 技 大学 出 版 社 ，０ １ 西 ２ ０ ［］ 辛长安 ， ６ 梅 林 ． Ｖ Ｃ＋ ＋ 编 程 技 术 与 难 点 剖 析 ［ ］ Ｍ ． 北 京 ： 华 大 学 出版 社 ，０ ２ 精 ２０． Ｉ ］ 张 湘 辉．软 件 开 发 的过 程 与 管理 ［ ．北 京 ： 华 大 学 － ７ Ｍ］ 清 出 版 社 ，０ ５ ２０．
序 模块 。本 程序模 块在 油水 分离 旋流器 优 化设计 方
面具有 创新 意义 的成果 ， 所归 纳 总结 的 Ｃ Ｄ开发 技 Ｆ 术 的基本 方 法和过 程具 有普遍 的适 用性 。 ２ 运用 本设 计 系统模块 进 行油水 分 离旋 流器 ） Ｃ Ｄ分 析 ， 仅 概 念 明确 ， 且 可 以免 去 许 多 重 复 Ｆ 不 而
２ Ｚ ３ Ｆ １—５型 小修 作 业 用 双 闸板 防喷器 壳体 设 计 ８
闸板防喷器密封失效原因及对策分析
闸板防喷器密封失效原因及对策分析随着现阶段天然气开采的进一步加强，石油钻井行业对于闸板防喷器的气密封性能有了更为严格的要求，闸板防喷器除了能密封高压液体外，还必须能密封高压气体。
只有提高闸板防喷器气密封的可靠性，才能有效地保证整套井控装置气密封性能。
到目前为止，国内外石油钻井行业仍没有一套完整的技术能有效地保证闸板防喷器气密封的可靠性。
标签：闸板防喷器气密封;失效分析1 闸板防喷器气密封失效原因分析闸板防喷器具备长期封井、悬挂钻具、剪断钻杆等功能，配合完成循环、节流放喷、压井、井下复杂情况处理等工作，是井控的关键设备之一。
而密封是闸板防喷器最重要的特性，闸板防喷器有5组密封。
它们对防喷器的密封性能有着重要的影响。
多年来，闸板防喷器的气密封问题一直没有很好地解决，根据某实验室对国产的闸板防喷器进行气密封试验可以看出，国产防喷器的气密封试验全部失效，且密封件损坏严重，防喷器功能丧失，井控安全存在较大风险。
选取美国卡麦隆公司生产的2FZ28—105双闸板防喷器进行气密封试验，气压上升至22MPa时，侧门有不连续微小气泡产生，升至66MPa时侧门偶有气泡产生，升至70MPa时两侧门有连续气泡产生，当试到88MPa时，全封闸板出现大量气泡，压力迅速下降。
拆解防喷器后检查密封件，密封件没有大的损坏，闸板完好，防喷器功能虽未丧失，但气密封性能不可靠。
由此可见，解决闸板防喷器气密封性能是提升井控装备的瓶颈问题。
通过对闸板防喷器进行气密封试验，发现其侧门与壳体之间密封在气密封时渗漏，二次密封孔处有气泡，闸板轴密封有渗漏，不能满足气密封的要求。
因此，解决侧门与壳体之间、侧门腔与活塞杆之间的密封性能是提高闸板防喷器气密封性能的关键。
1.1 壳体与侧门之间的密封原理侧门与壳体的接合面上装有密封圈，侧门与壳体之间由螺栓连接，在侧门螺栓预紧力的作用下，侧门密封圈产生弹性变形后紧贴防喷器壳体和侧门密封面，使井内气体、钻井液不能从该处泄漏，实现密封。
2FZ18-70 液动双闸板防喷器
闸板防喷器要有四处密封起作用才能有效地密封井口，即：闸板顶部与壳体的密封、闸板前端与管子的密封、壳体与侧门的密封、闸板轴与侧门的密封。
闸板的密封过程分为两步：一是在液压油作用下闸板轴推动闸板向中心移动，两前密封互相挤压变形密封前部，顶密封胶件与壳体间靠胶件过盈压缩密封顶部，从而形成初始密封；二是在井内有压力时，井压从闸板后部推动两闸板往中心挤压，使前密封进一步受到挤变形，同时井压从下部推动闸板上浮贴紧壳体上密封面，使顶密封更加密封可靠，即为井压助封原理，实现高压密封。
5.手动锁紧装置是人力旋转手轮关闭或锁紧闸板。使用时应注意手动锁紧装
置只用于关闭闸板，不能打开闸板。使用后欲打开闸板首先必须使手动锁紧装置复位解锁，再用液压打开闸板。
6.在井控车间试压时，当压力逐步上升到额定压力后，稳压10分钟，肉眼
观察无渗漏，一般情况下压降不大于0.7MPa（有时肉眼观察无渗漏，但压降较大，大部分原因是试压泵内泄造成。应注意经常检查试压泵是否完好）。
当一口井完成作业需搬迁另一口井时，蓄能器内压力不需全部泄压，保持在10MPa即可，以免第二次开动时，充压时间过长。液控台装好后，
应先打开卸荷阀再进行空运转使油回流油箱，运转几分钟电机、泵运转正常后，再关闭卸荷阀。
设计文件名称
使用说明书
2FZ18-70-SM
产品型号名称
2FZ18-70液动双闸板防喷器
6.当液控系统出现故障，也可用手动锁紧丝杠关闭闸板。
7.上、下钢圈槽采用不锈钢铺焊加工而成，在任何条件下均不会生锈。
8.所用上下密封垫环采用钢-橡胶复合密封圈，密封可靠，并可多次重复使用。
五、2FZ18-70液动闸板防喷器的维护抢修与使用
1.在作业过程中，防喷器上法兰上部可根据用户要求配备护板，防止吊卡等碰坏钢圈槽，注意不要丢失。
井控设备
一、井控设备概述
井控设备总汇
1.井口防喷器 2.远程控制台（蓄能器装置） 3.司钻控制台 4.辅助控制台 5.气控 管线（气管束） 6.管排架 7.压井管汇 8.节流管汇 9.节控箱 10.泥浆泵 11.循环罐 12.液气分离器 13.真空除气器 14.方钻杆上旋塞（水龙头）
一、井控设备概述
1、井口防喷器组：环形防喷器、闸板防喷器、四通等； 2、控制系统：储能器装置（远程控制房）、遥控装置（司钻控 制房）、辅助遥控装置； 3、节流管汇、压井管汇； 4、钻具内防喷工具：方钻杆球阀、钻杆回压阀、投入式单 向 阀等； 5、加重钻井液装置：重晶石粉混合漏斗装置；重晶石粉气动力 下料装置； 6、起钻灌注钻井液装置； 7、钻井液气体分离器； 8、监测仪表：钻井液罐液面监测仪、甲烷、硫化氢等检测器； 9、特殊作业设备：不压井起下钻加压装置、清障、灭火设备等。
空间。球型胶芯的这种状况并不影响它的封井效果，反而由于井口高
压流体作用在胶芯漏斗状底部，更加强了井压助封作用，提高了密封 性能，被称为漏斗效应。
二
型环形防喷器
三、球型胶芯环形防喷器
1).球型胶芯结构及特点
(4).橡胶贮备量大。球型胶芯的橡胶贮备量比其它类型大得多， 在强行起下钻具被磨损后，有较多的胶芯可陆续挤出补充。 (5).摩擦力小，开关所需油量较大。活塞上推力部分由支承筋承 受，而支承筋与顶盖之间是金属接触，摩擦阻力小。但是，由于球型 胶芯含胶量多，变形大，故需较大的活塞上推力。在不提高液控压力 前提下，只能增加活塞直径，所以，该类防喷器外形较大，关闭一次 所需液压油量较多。 (6).胶芯更换方便。球型胶芯磨损后，在井内无钻具时可打开顶 盖直接更换。有钻具时，用切割方法进行更换。
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(2)
其中 ,[ D ]e 、[ D ]p 分别为弹性矩阵和塑性矩阵 。
加载方式为 :在壳体内加内压 ,压力为 0～175
M Pa ,每 7 M Pa 为一个分析步 ,一共分为 25 步加
载 ,分析每一步载荷下的应力分布及应变情况 。
在内 压 等 于 35 M Pa 时 , 最 大 Mises 应 力 为
的棱边 ;法兰及壳体外侧的应力相对较小 ;当小孔不 在关键位置时 ,局部小孔对整体最大应力的影响很 小 ;当小孔位置在最大应力附近时 ,由于小孔处的压 力被转移到出口附近 ,因此 ,小孔会使内部的局部应 力有所下降 。
步改进设计提供了依据 。
参考文献 : [ 1 ] 张 国 正. 防 喷 器 试 压 失 效 分 析 [ J ] . 石 油 矿 场 机 械 ,
3 结论
双闸板防喷器壳体的最大应力发生在长方形孔
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·32 ·
OIL FIELD EQUIPMENT 2006 Vol. 35 №6
中国水利水电出版社 ,2000.
图 5 内压为 105 MPa 时壳体内部的应力分布 (横向剖)
[ 科技简讯 ]
川西北气田钾卤综合利用装置运转成功
据悉 ,四川平落坝气田富钾卤水综合利用工程项目的中 试装置 ,已成功地进行 3 个 72 h 的连续运转 ,首批已生产出 11. 1 t 氯化钾产品和 2. 0 t 硼酸产品 ,收获的氯气合格率很 高 。这将为西南地区建立第一家钾盐工业化生产基地提供 科学依据 ,促使气田水综合开发形成新的经济增长点 。
2 防喷器壳体非线性有限元分析
双闸 板 防 喷 器 壳 体 材 料 为 低 碳 合 金 钢 25CrNiMo ,材 料 的 屈 服 极 限 560 M Pa , 断 裂 极 限 700 M Pa 。当承受的载荷达到屈服极限后 ,应力与 应变不再保持比例关系 ,进入非线性阶段 。为了便 于研究 ,将其拉伸曲线简化成分段线性关系 ,即线性 强化弹塑模型[4] ,如图 3 所示 。
防喷器用于发生井涌或井喷时起密封或封井作 用 。因此 ,对井口防喷器来说 ,尤其是高压防喷器 , 其安全性能就显得特别重要 。文献 [ 1 ]对防喷器试 压爆裂原因进行了分析讨论 ;文献[ 2 ]采用三维光弹 性试验方法 ,得到防喷器壳体受力时的应力分布规 律 ,并依此对设计进行了改进 ;文献 [ 3 ]对闸板防喷 器胶芯结构参数进行了优化设计 。
图 2 双闸板防喷器壳体有限元网格及内压载荷示意
a) 分析模型中 螺栓螺母等预紧力只对局部
强度有影响 ,其位置都离最大应力位置较远 ,因而在
进行总体分析时不考虑 。但内压引起的螺栓作用力
的增加对结构整体是有影响的 ,因此 ,在与壳体外界
相通的通孔周边需要附加一个作用力 ,这个力是由
于螺栓等拉力增加引起的 ,对圆孔 ,该力的大小为
中国油砂开采矿机有研制的必要
出自于对油气能源不断增大的需求 ,中国油砂矿产资源 的调查已被列入议事日程 ,这与国际油砂矿的开采相同步 。 油砂矿的开采 ,与油母页岩的开有有相似之处 ,也有一定的 区别 ,即使提炼油气也如此 ,石油矿场机械和炼化业都应有 超前的研制 ,还包括炼化废弃物的综合利用 ,促使相关产业 的兴起 。北美地区的经验很有启示 ,但自主创新更为重要 。
1 防喷器壳体及其分析模型
根据产品设计图纸建立双闸板防喷器三维模 型 ,双闸板防喷器壳体实体图如图 1 所示 。由于结 构形状复杂 ,采用四面体单元对双闸板防喷器三维 模型进行有限元网格划分 。单元总数 126 137 个 , 节点总数 25 654 个 。防喷器壳体有限元网格及内
收稿日期 :2006204227 作者简介 :晏祥慧 (19672) ,女 ,四川泸县人 ,副教授 , 1989 年毕业于石油大学 (华东) ,现从事机电工程教学与研究工作 。
F1 =πD2 p/ 4
(1)
式中 , D 为孔的内径 ; p 为内压 。
对于长方形孔处的外载荷增加值用面积与内压
的乘积计算 ,将尺寸及内压代入 ,可得附加作用力 。
b) 边界条件 为了保证结构不产生刚体移
动 ,在端面等地增加了限制位移的约束条件 ,这种约
束对结构的应力大小和分布基本没有影响 。
2571 81 M Pa 。当内压等于 91 M Pa 时 ,产生塑性变
形 。内压等于 105 M Pa 时 ,壳体外部的应力分布情
况如图 4 ;壳体内部的应力分布情况如图 5 。内压为
175 M Pa 时壳体的塑性应变分布如图 6 。壳体内最
大 Mises 应力随内压的变化规律如图 7 。
图 4 内压为 105 MPa 时壳体外部的应力分布
图 3 25CrNiMo 材料特性曲线
在弹性阶段 ,应变 、应力与载荷大小成正比 ,进
入塑性阶段后 ,一部分材料进入流动阶段 。解决非
线性问题通常采用 3 种方法 ———增量法 、迭代法 、混
合法[4] 。本算例采用增量法 。增量法就是将载荷划
分为许多增量 ,每次施加一个载荷增量 。在一个载
荷增量中 ,假设刚度矩阵是常数 ,在不同的载荷增量
Nonlinear elastic2plastic f inite element analysis of blo wout preventer
YAN Xiang2hui1 ,Q I Ming2xia2 , TAO Yun3
(1. Col le ge of Envi ronment al an d Ener g y En gi neeri n g , B ei j i n g U ni versit y of Technolog y , B ei j i n g 100022 , Chi na; 2. Elect ro2mechanical Proj ect I nstit ute , Chi na U ni versit y of Pet roleum , Don g y i n g 257062 , Chi na; 3. W est D ri l li n g of S ichuan Oi l B u reau , Chen g d u 610051 , Chi na )
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晏祥慧 ,等 :双闸板防喷器壳体非线性有限元分析
压载荷情况如图 2 所示 。
·31 ·
图 1 双闸板防喷器壳体模型
2006 年 第 35 卷 石 油 矿 场 机 械 第 6 期 第 30 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2006 ,35( 6)0123482 (2006) 0620030203
防喷器壳体形状比较复杂 ,在载荷作用下的应 力分布情况及最大应力对分析结构的安全性非常重 要 ,同时 ,设计合理的形状和尺寸 、特别对于高压防 喷器来说是很重要的 。为了了解壳体的承载能力 , 除了进行压力试验外 ,建立三维模型 ,进行非线性有 限元分析 ,可以总结出结构应力的分布规律 ,为进一
步优化设计创造条件 。本文建立了闸板防喷器壳体 的三维实体模型 ,用 MSC. Nast ran 有限元分析软件 对壳体进行了承载能力分析 ,考虑了在内压作用下 弹性阶段及塑性阶段的应力分布和弹塑性应变情 况 ,分析壳体结构的安全性能 ,为改进设计提供依 据。
图 6 内压为 175 MPa 时壳体的塑性应变分布
图 7 最大 Mises 应力随内压的变化
用非线性有限元方法对防喷器板壳体进行模拟 计算 ,可以比较精确地确定壳体的应力分布情况及 最大应力值和位置 ,同时了解进入塑性状态后塑性 区的扩展情况 ,为检验设计的安全性 、合理性及进一
二机集团灵活经营业绩突现
南阳二机石油装备 (集团) 有限公司是国内外闻名的专 业化大型企业 。面对国内外石油矿场机械市场竞争日趋激 烈的形势 ,悉取灵活的经营谋略 ,2003 年产品出口中亚地 区 、东南亚地区 、拉美地区和东欧地区的多个国家 ,且出口产 品种类多样 ,尤其是新产品倍受国际市场欢迎 。公司发展目 标定位于跻身国际先进石油装备制造商行列上 ,自主开发研 制面向国际市场需求的产品 ,以创精品来树起企业高大形 象 ,设计制造与国际标准接轨 ,促进产品快速进入国际市场 , 不断赶超国际同行业先进水平 ,充分利用进出口自主经营 权 ,主动参与国际强手竞标 ,或联合投标 ,既抓当年订单合同 生产 、又抓新一年订单储备 ,使经营生产的连续性和稳定性 明显提高 ,采取市场代理有效举措 ,实现成套设备与配件销 售同步进行 。公司的经营机制 ,适应了市场经济的发展趋 势 ,向做大 、做强 、做专 、做精的方向奋进 。
了承载能力分析 ,考虑了材料的弹塑性特性 ,分析了壳体的极限承载能力 、多种载荷情况下的应力应变情况及进入 塑性状态的载荷和塑性扩展区域 ,为验证设计的安全性 、合理性及进一步改进设计提供了依据 。
关键词 :闸板防喷器 ;非线性分析 ;有限元 ;应力 中图分类号 : TE9211 502 文献标识码 : A
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双闸板防喷器壳体非线性有限元分析
晏祥慧1 ,齐明侠2 ,陶 云3
(1. 北京工业大学 环能学院 ,北京 100022 ;2. 中国石油大学 (华东) 机电学院 ,山东 东营 257062 ; 3. 四川石油管理局 川西钻探公司 ,四川 成都 610051)