李建超,房 軍,高德利

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249) *

深水實(shí)驗(yàn)缸旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性分析

李建超,房 軍,高德利

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)*

深水管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為研究深水管柱力學(xué)行為而研制的特殊裝置,其中的旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)是深水管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)缸的旋轉(zhuǎn)定位裝置,對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行都有重要作用。介紹了旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),使用有限元對(duì)旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力和變形分析,結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)安全可靠,完全可以滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的支撐和旋轉(zhuǎn)需要。

深水;實(shí)驗(yàn);旋轉(zhuǎn)支撐;有限元;安全性

目前,海上油氣資源的開發(fā)正逐步從淺海地區(qū)轉(zhuǎn)向深海地區(qū),深水鉆井面臨的特殊海況條件和困難對(duì)鉆井技術(shù)提出了更高的要求,需要具有更高技術(shù)含量的鉆井裝備與鉆井技術(shù)[1-2]。日益增加的水深對(duì)深水管柱,尤其是隔水管柱也提出了更高的要求,因而,對(duì)深水管柱的研究就顯得越來越重要,由此提出研究3 000 m深水鉆采管柱力學(xué)行為的特殊實(shí)驗(yàn)設(shè)備,即,深水管柱力學(xué)與控制模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心設(shè)備為高壓實(shí)驗(yàn)缸,以此模擬深水壓力。由于海洋海流力和波浪力的作用,深水管柱會(huì)受到橫向載荷的作用,從而產(chǎn)生一定的偏移,深水管柱在從海面到海底的各個(gè)深度具有不同的傾斜角度,所以要模擬深水環(huán)境某一深度處的一段管柱的力學(xué)行為,就必須考慮能夠模擬管柱處于任一角度的水下力學(xué)實(shí)驗(yàn)。這需要實(shí)驗(yàn)缸缸體能旋轉(zhuǎn)到任意角度,為此設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu),以期既能支撐住實(shí)驗(yàn)缸,又能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)缸的旋轉(zhuǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)缸簡(jiǎn)述

深水管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)缸是深水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件,其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。缸體內(nèi)徑為?1 200 mm,長(zhǎng)度為8 000 mm,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為研究3 000 m深水鉆采管柱力學(xué)行為而設(shè)計(jì),故額定壓力設(shè)定為30 MPa。實(shí)驗(yàn)缸的兩端端蓋要方便打開,既可實(shí)現(xiàn)缸體內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品的拆裝更換,又可進(jìn)行端部加載缸的更換。

1.2 旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)是針對(duì)高壓實(shí)驗(yàn)缸的旋轉(zhuǎn)功能而設(shè)計(jì)的,考慮到實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)部承受高壓,所以不采用在實(shí)驗(yàn)缸缸體上直接鉆孔焊接旋轉(zhuǎn)軸的方法,而是設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu),將其固定在實(shí)驗(yàn)缸上。這樣在旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)有損壞的情況下更換也更加方便。

圖1 深水高壓實(shí)驗(yàn)缸

在深水高壓實(shí)驗(yàn)中,旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行及實(shí)驗(yàn)人員的人身安全都有重要的作用。針對(duì)實(shí)驗(yàn)缸要實(shí)現(xiàn)的功能及安全性需要提出了旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,先分別設(shè)計(jì)制造兩端的耳軸和套筒,然后將二者焊接起來。

旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的耳軸材料選用35CrMo,材料抗拉強(qiáng)度980 MPa,屈服強(qiáng)度835 MPa,鍛造而成,耳軸支撐部位外徑?300 mm,內(nèi)徑?240 mm,用于安裝擺動(dòng)油缸以驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)缸旋轉(zhuǎn)?？ü坎牧线x用Q235,抗拉強(qiáng)度為375～500 MPa,屈服強(qiáng)度>215 MPa,采用鋼板卷制焊接而成,卡箍?jī)?nèi)徑?1 564 mm,外徑?1 664 mm,寬800 mm,總長(zhǎng)2 464 mm?？ü?jī)?nèi)徑大于實(shí)驗(yàn)缸兩端的外徑,安裝時(shí)直接將卡箍套在實(shí)驗(yàn)缸上,卡箍?jī)啥擞尚▔K卡在實(shí)驗(yàn)缸上,使用螺栓連接,以防止處于豎直狀態(tài)時(shí)實(shí)驗(yàn)缸下滑。因?yàn)榭ü啃栌眯▔K固定在實(shí)驗(yàn)缸上,故卡箍筒內(nèi)壁上需要作出3°的斜坡。旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

2 力學(xué)分析

在工作中,深水缸缸體懸空,主要由旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)承受力的作用,受力主要為實(shí)驗(yàn)缸、實(shí)驗(yàn)試件及缸內(nèi)液體的重力作用。其中,卡箍的脆弱部位為兩端旋轉(zhuǎn)耳軸的直徑較小的臺(tái)階處及卡箍圓筒的下半圓面。

在工作中實(shí)驗(yàn)缸或靜止或慢速的勻速旋轉(zhuǎn),在進(jìn)行受力分析過程中,先不考慮卡箍的影響,可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)只受靜載作用,則可將深水缸旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩端鉸支的變截面簡(jiǎn)支梁,其所受的重力作用可簡(jiǎn)化為作用于梁中間位置的集中力Q,其受力示意圖如圖3所示。

在圓形梁截面上,最大切應(yīng)力出現(xiàn)在中性軸上,切應(yīng)力可表示為[4]

式中,τmax為梁上的最大切應(yīng)力,MPa;Q為作用在梁上的集中力,N;R為圓形梁的半徑,m。

限定最大彎曲正應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力,則有強(qiáng)度條件為

式中,σmax為最大正應(yīng)力,MPa;W為抗彎截面系數(shù), m3;Mmax為梁上的最大彎矩,N·m。

W與截面的幾何形狀有關(guān),對(duì)于截面是直徑為d的圓形,則有

圖3 卡箍受力示意

3 有限元分析

3.1 基本假設(shè)

簡(jiǎn)化對(duì)力學(xué)特性無較大影響的部位;實(shí)驗(yàn)缸工作過程中會(huì)進(jìn)行低速的勻速轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)卡箍受力沒有影響,在分析中可視為靜止?fàn)顟B(tài);實(shí)驗(yàn)缸的載荷與支撐條件符合力學(xué)平衡條件。

3.2 模型建立

卡箍受力主要是由實(shí)驗(yàn)缸及其中注入的液體的總重力引起的,以實(shí)驗(yàn)缸在實(shí)驗(yàn)中的總質(zhì)量100 t為準(zhǔn),使用SolidWorks軟件對(duì)卡箍及簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)缸各自建立實(shí)體模型,再進(jìn)行裝配,保存成 Parasolid格式文件導(dǎo)入到Ansys中。總體模型如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)缸模型

3.3 網(wǎng)格劃分

在Ansys中使用的材料參數(shù)如下:彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,材料密度取7 850 kg/m3。在劃分網(wǎng)格過程中,對(duì)整體分析影響較小的實(shí)驗(yàn)缸模型進(jìn)行簡(jiǎn)單劃分,而對(duì)旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)要進(jìn)行較密的四面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)缸模型單元網(wǎng)格劃分

3.4 施加約束及載荷計(jì)算

實(shí)驗(yàn)缸在實(shí)驗(yàn)過程中只有2段耳軸作為支撐,故在耳軸上施加約束。實(shí)驗(yàn)缸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中自身重力分解到垂直于實(shí)驗(yàn)缸軸向與徑向兩個(gè)方向,其中軸向的力由楔塊分擔(dān),則此時(shí)卡箍所受力小于實(shí)驗(yàn)缸水平放置狀態(tài)所受力大小,故只分析實(shí)驗(yàn)缸水平狀態(tài)時(shí)卡箍所受載荷。在Ansys中按照實(shí)驗(yàn)缸只受重力的情況對(duì)卡箍進(jìn)行分析,定義重力加速度為y方向,設(shè)置重力加速度值為 9.8 m/s2,運(yùn)算求解[5]。

3.5 結(jié)果分析

卡箍應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示,應(yīng)變主要發(fā)生在卡箍懸空部位、耳軸上及耳軸與卡箍筒接觸部位附近,并于耳軸臺(tái)階處達(dá)到最大應(yīng)變,其值為115μ ε。

卡箍應(yīng)力云圖如圖7所示,旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的卡箍筒與楔塊邊緣接觸處會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中,但是所受應(yīng)力不大;支撐軸和卡箍?jī)啥说目ü客才c耳軸連接處周圍是主要的應(yīng)力集中區(qū)域,且越靠近耳軸的地方應(yīng)力越大,最大應(yīng)力值約23.7 MPa,出現(xiàn)在直徑?300 mm的支撐軸臺(tái)階處,遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,所以旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)是安全的。

圖7 實(shí)驗(yàn)缸卡箍的Von Mises等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1) 有限元分析結(jié)果表明,深水管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)缸旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)最危險(xiǎn)處所受的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限,可以判定該卡箍具有安全可靠性。

2) 實(shí)驗(yàn)缸組裝完成后,順利進(jìn)行了吊裝,并向?qū)嶒?yàn)缸內(nèi)注入水,表明旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)可以承受實(shí)驗(yàn)缸的重力。吊裝后使用擺動(dòng)油缸推動(dòng)卡箍,使實(shí)驗(yàn)缸在水平與豎直方向之間可以安全轉(zhuǎn)動(dòng),表明該卡箍能夠滿足深水管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。

3) 在旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)兩端耳軸與卡箍筒的連接處焊接加強(qiáng)筋,可以保證實(shí)驗(yàn)缸長(zhǎng)期使用。

[1] 侯福祥,王 輝,任榮權(quán),等.海洋深水鉆井關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(12):1-4.

[2] 蘭洪波,張玉霖,菅志軍,等.深水鉆井隔水管的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(3):96-98.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5] 趙海峰,蔣 迪.ANSYS8.0工程結(jié)構(gòu)實(shí)例分析[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.

Design and Security Analysis of the Rotary Support Mechanism of Deepwater Experiment Device

LI Jian-chao,FANGJun,GAO De-li
(MOE Key L aboratory ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

Deepwater tubular mechanical experiment system is a special device developed for studying the mechanical behavior of the deepwater tubular.As the slewing device of the deepwater tubular mechanical experiment device,the rotary support mechanism plays an important role in the safe operation of the experimental system and the smooth conduct of the experiment.This paper introduced the design of the rotary support mechanism.At the same time,it analyzed stress and deformation of the rotating shaft hoop.The result showed that the structure is reliable and it could completely satisfy experimental equipment support and rotation needs.This simple and economical design can provide a reference for the future development of similar products.

deepwater;experiment;rotary support;finite element;security

1001-3482(2011)05-0014-04

TE951

A

2010-11-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“深水鉆井工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2008ZX05026-001-01)資助

李建超(1985-),男,河北隆堯人,碩士研究生,研究方向?yàn)橛蜌饩苤W(xué)與控制工程,E-mail:ljch2010_happy@163.com。