高加強(qiáng)，李法成，姜富陽(yáng)，劉巨保，羅 敏

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院，黑龍江大慶163312） ①

不壓井裝置承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)價(jià)

高加強(qiáng)1，李法成2，姜富陽(yáng)1，劉巨保1，羅 敏1

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；

2.大慶油田裝備制造集團(tuán)研究院，黑龍江大慶163312）①

承載結(jié)構(gòu)是不壓井裝置的關(guān)鍵部件之一，也是保證不壓井裝置能夠正常工作的必要條件。根據(jù)承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和承載特點(diǎn)建立了力學(xué)模型，對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，并引入JB4732—1995標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力分類(lèi)方法，對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定提供參考。

不壓井裝置；承載結(jié)構(gòu)；應(yīng)力分析；強(qiáng)度評(píng)價(jià)

隨著國(guó)內(nèi)老油氣田逐漸進(jìn)入開(kāi)采的中后期，傳統(tǒng)的壓井作業(yè)技術(shù)越來(lái)越不利于油氣資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)。不壓井作業(yè)技術(shù)憑借其良好的安全性、可靠性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性在油田的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。隨著不壓井技術(shù)的深入研究，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了不壓井作業(yè)裝置的研制，并逐步推廣應(yīng)用，取得了一定的成果，帶來(lái)了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益［2－7］。承載結(jié)構(gòu)是不壓井作業(yè)裝置的支撐基礎(chǔ)，在工作中，不壓井作業(yè)裝置在起下油管時(shí)極容易發(fā)生局部塑性變形，導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)失效。本文建立了不壓井裝置承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力分析，引入了JB4732—1995《壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［8］中的應(yīng)力分類(lèi)方法，對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)價(jià)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定［9］提供參考。

1 承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作中承載結(jié)構(gòu)的承載特點(diǎn)建立力學(xué)模型時(shí)，將承載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一層平臺(tái)結(jié)構(gòu)、二層平臺(tái)結(jié)構(gòu)和支撐柱3大部件。其中一層平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括一層平臺(tái)板和一層平臺(tái)法蘭盤(pán)，二層平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括二層平臺(tái)板和液壓缸法蘭盤(pán)。

在建立承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型時(shí)，假設(shè)各部件之間完全連接，故各部件之間的螺栓結(jié)構(gòu)及螺栓預(yù)緊力作用都未予以考慮。不壓井裝置承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

如圖1。

圖1 承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

鑒于承載結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在建立相應(yīng)力學(xué)模型時(shí)只考慮液壓缸對(duì)承載結(jié)構(gòu)的載荷作用。選取液壓缸最大上提力作為承載結(jié)構(gòu)的計(jì)算載荷，對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，將液壓缸最大作用力轉(zhuǎn)化為等效面載荷，平均施加到液壓缸的截面上。承載結(jié)構(gòu)各部件材料為Q235，材料力學(xué)性能參數(shù)如表1。

表1 Q235材料力學(xué)性能參數(shù)

2 承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在最大上提力作用下，承載結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布如圖2，可知最大等效應(yīng)力為391.0MPa，發(fā)生在一層平臺(tái)上。

圖2 承載結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布

承載結(jié)構(gòu)一層平臺(tái)等效應(yīng)力分布如圖3，由圖可知最大等效應(yīng)力為391.0MPa，發(fā)生在一層平臺(tái)板與一層平臺(tái)法蘭盤(pán)連接處。

圖3 承載結(jié)構(gòu)一層平臺(tái)應(yīng)力分

承載結(jié)構(gòu)二層平臺(tái)等效應(yīng)力分布如圖4，可知最大等效應(yīng)力為262.4MPa，發(fā)生在二層平臺(tái)板螺栓孔處。

圖4 承載結(jié)構(gòu)二層平臺(tái)應(yīng)力分布

承載結(jié)構(gòu)支撐柱等效應(yīng)力分布如圖5，可知最大等效應(yīng)力為142.2MPa，發(fā)生支撐柱根部。

圖5 承載結(jié)構(gòu)支撐柱應(yīng)力分布

最大上提力下承載結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 最大上提力下承載結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

由表2可見(jiàn)，在最大上提力下承載結(jié)構(gòu)各部件中，除支撐柱外，其他部件最大應(yīng)力都大于屈服強(qiáng)度，故采用應(yīng)力分類(lèi)方法來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分析。在不壓井裝置承載結(jié)構(gòu)中，在一層平臺(tái)板與法蘭盤(pán)連接的最大等效應(yīng)力處沿平板厚度方向定義應(yīng)力線(xiàn)性化處理［10］路徑A，應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑A分布如圖6。在二層平臺(tái)板螺栓孔最大等效應(yīng)力處沿平板厚度方向定義應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑B，應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑B分布如圖7。

圖6 應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑A分布

圖7 應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑B分布

在最大上提力下，路徑A各向應(yīng)力沿路徑分布如圖8，可得路徑A上的主要應(yīng)力為由彎曲引起的x方向應(yīng)力，并且沿厚度方向上由表面向中間急劇減小。路徑A應(yīng)力線(xiàn)性化處理結(jié)果如圖9，可得應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑A的薄膜應(yīng)力為97.2MPa，薄膜應(yīng)力＋彎曲應(yīng)力最大值為244.6MPa。在最大上提力下，路徑B各向應(yīng)力沿路徑分布如圖10，可得路徑B上的主要應(yīng)力為由彎曲引起的y方向應(yīng)力，并且沿厚度方向上急劇減小。路徑B應(yīng)力線(xiàn)性化處理結(jié)果如圖11，可得應(yīng)力線(xiàn)性化處理路徑B的薄膜應(yīng)力為107.7MPa，薄膜應(yīng)力＋彎曲應(yīng)力最大值為267.4MPa。

圖8 各向應(yīng)力沿路徑A分布

圖9 路徑A應(yīng)力線(xiàn)性化處理結(jié)果

圖10 各向應(yīng)力沿路徑B分布

圖11 路徑B應(yīng)力線(xiàn)性化處理結(jié)果

根據(jù)所選路徑位置和應(yīng)力線(xiàn)性化處理結(jié)果可得，各路徑應(yīng)力都是由于結(jié)構(gòu)總體幾何不連續(xù)產(chǎn)生的，而且應(yīng)力具有明顯的局部性和自限性。局部性表明這部分應(yīng)力僅存在于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的局部區(qū)域。自限性表明應(yīng)力主要是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)不連續(xù)處要使得變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限，使局部發(fā)生流動(dòng)而使變形協(xié)調(diào)后，該局部的應(yīng)力值也將不再升高。在最大上提力下將承載結(jié)構(gòu)按JB4732—1995《壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，各線(xiàn)性化路徑評(píng)定結(jié)果應(yīng)依次滿(mǎn)足如下條件：一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ≤1.5 Sm，薄膜＋彎曲應(yīng)力SⅣ≤3 Sm。最大上提力下承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果如表3。由表3可得，在最大上提力下，承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定合格，故最大上提力下，承載結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

表3 最大上提力下承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

4 結(jié)論

1） 建立了承載結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，得到了承載結(jié)構(gòu)在最大上提力下等效應(yīng)力分布情況，分析了危險(xiǎn)截面上各向應(yīng)力沿厚度方向的變化及主要應(yīng)力形式，并對(duì)危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力做線(xiàn)性化處理，得出最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，承載結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2） 引入JB4732—1995《壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的應(yīng)力分類(lèi)方法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，既能對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的各向應(yīng)力分布進(jìn)行評(píng)估，也可以對(duì)危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)評(píng)價(jià)，能比較全面評(píng)價(jià)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定提供參考。

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Stress Analysis and Strength Assessment of Bearing Structure of Snubbing Unit

GAO Jia－qiang1，LI Fa－cheng2，JIANG Fu－yang1，LIU Ju－bao1，LUO Min1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing，163318，China；2.Research Institute，Daqing Oilfield Equipment Manufacture Group，Daqing163312，China）

Load bearing structure is one of the key components of snubbing unit，and it＇s required for snubbing unit＇s normal operations.For these reasons，a mechanical model of bearing structure was established at the base of its structure and load characteristics，and a stress analysis was carried out and strength assessment of load bearing structure as well.The methods and processes of stress classification of the JB4732－95criteria were introduced.The results provided technical reference for the strength assessment of complex construction.

snubbing unit；bearing structure；stress analysis；strength assessment

1001－3482（2012）01－0033－04

TE934.2

A

2011－07－15

高加強(qiáng)（1987－），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭蜋C(jī)械力學(xué)分析及應(yīng)用，E－mail：gaojiaqiang111＠126.com。