邱福壽

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

XFF52-25型采油閘閥閥體應(yīng)力分析

邱福壽

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

采油閘閥作為井口裝置的主要承壓部件，其性能直接關(guān)系到井口裝置的安全。由于閥體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且?guī)缀涡螤畈贿B續(xù)，采用常規(guī)的力學(xué)分析方法進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)誤差大。應(yīng)用Pro／E三維軟件對(duì)閘閥閥體建模，進(jìn)行載荷分析和應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算，分析了XFF52-25型閘閥閥體的受力情況。為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

采油井口裝置；閥體；應(yīng)力

采油閘閥作為采油井口裝置的關(guān)鍵承壓及控壓部件，主要承壓件有閥蓋和閥體。閥蓋由于結(jié)構(gòu)規(guī)則，受力連續(xù)，應(yīng)力分布比較均勻，用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法就可以對(duì)其承壓能力進(jìn)行計(jì)算。閥體結(jié)構(gòu)是由多種幾何體經(jīng)過(guò)平滑過(guò)渡構(gòu)成的，形狀較為復(fù)雜，由于多種幾何體的過(guò)渡造成載荷的不均勻和不連續(xù)，常規(guī)的強(qiáng)度校核計(jì)算已不能夠完全和詳細(xì)描述閥體的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況［1］。以前的閥門(mén)設(shè)計(jì)經(jīng)常要進(jìn)行爆破試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本體的承壓性能及應(yīng)力分布，不僅費(fèi)用大，而且延長(zhǎng)了產(chǎn)品的試制周期。隨著計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維應(yīng)力計(jì)算分析已經(jīng)逐步代替爆破試驗(yàn)。從實(shí)踐上看，用計(jì)算機(jī)三維應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算分析不僅速度快，效率高，而且還為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)，有助于提高設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)《井口裝置和采油樹(shù)》［2］設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，Von Mises法則的變形能理論方法可用于承壓裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 建立分析模型

閥體結(jié)構(gòu)和受力狀況復(fù)雜，無(wú)法采用傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行精確分析和計(jì)算。Pro／E是美國(guó)PTC開(kāi)發(fā)的軟件，可以完全實(shí)現(xiàn)幾何建模和有限元分析的集成，是最為廣泛、先進(jìn)、具有多種功能的高智能軟件，將設(shè)計(jì)和分析結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)計(jì)算采用Pro／E有限元法通過(guò)分析計(jì)算，并不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、修改，以獲的最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1.1 實(shí)體模型

利用Pro／E軟件的拉伸、旋轉(zhuǎn)和拔模等方法，對(duì)XFF52-25型閘閥閥體進(jìn)行三維實(shí)體幾何建模，并且可以直接實(shí)現(xiàn)Pro／E分析軟件的調(diào)用，如圖1。完成三維實(shí)體建立后，還要根據(jù)閥體所設(shè)計(jì)的力學(xué)性能指定材料的物理屬性，載荷單位等。

圖1 XFF52-25型采油閘閥的閥體模型

1.2 材料

閥體材料選用ZG（J）35Cr Mo，力學(xué)性能符合ISO 10423標(biāo)準(zhǔn)中60K材料的要求（如表1），工作溫度為－29～121℃。

表1 60K材料力學(xué)性能

2 載荷

2.1 約束條件

考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際約束條件以及實(shí)體的對(duì)稱(chēng)性，取實(shí)體的1／4作為模擬試驗(yàn)對(duì)象，在xoz平面施加y和z方向約束，在端面法蘭鋼圈槽處施加z方向約束，在閥體大扣處施加x和z方向的約束。

2.2 載荷施加

采用XFF52-25型閘閥閥體作為分析對(duì)象，主要承受的載荷有：壓力載荷、螺栓載荷、墊環(huán)載荷、第3頭大扣處拉伸載荷；額定工作壓力p＝25 MPa。

端部連接的外部軸向載荷詳見(jiàn)各端部的應(yīng)力分析邊界條件，壓力載荷為介質(zhì)接觸表面的均布載荷，螺栓載荷為沿分度圓螺栓孔上的均布載荷［3-4］。

內(nèi)部施加25 MPa壓力，法蘭螺栓孔部位螺栓拉力，鋼圈槽處鋼圈對(duì)閥體的壓力，大扣處的拉力，密封墊處比壓，以上具體數(shù)據(jù)見(jiàn)閥體及法蘭應(yīng)力邊界分析條件計(jì)算［5］。

由閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)知，鋼圈在操作狀態(tài)下需要的最小壓緊力Fp為：

最小螺栓載荷按式（2）計(jì)算：

式中：Dg為鋼圈壓緊力作用中徑；b為鋼圈有效密封面寬度，b＝3N／8，N為密封環(huán)寬度，N取10；m為墊片系數(shù)，取m＝5.5；p為設(shè)計(jì)壓力。

對(duì)于閥體第3頭大扣處的拉力，分析得知其要保證銅墊片最小密封比壓，可按式（3）計(jì)算：

式中：Dg1為銅墊片壓緊力作用中徑；b1為銅墊片有效密封面寬度，b1＝3N／8，N1為密封環(huán)寬度，N1取6.75；m1為墊片系數(shù)，取m1＝4.75；p為設(shè)計(jì)壓力。

具體約束和載荷如圖2。

圖2 閥體約束及加載

3 應(yīng)力分析結(jié)果

由于本例屬于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，為了使分析結(jié)果更加客觀(guān)，真實(shí)地反映實(shí)際工況，采用多通道自適應(yīng)方式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3。在25 MPa設(shè)計(jì)壓力下，閥體最大薄膜應(yīng)力為SE＝270.6 MPa。依據(jù)ISO 10423《井口裝置和采油樹(shù)》中4.3.3.3的變形能理論判定準(zhǔn)則SE≤SY，判斷其強(qiáng)度是安全的。

圖3 閥體應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1） 采用Pro／E軟件建立XFF52-25型采油閘閥閥體的力學(xué)模型，分析其應(yīng)力分布。最大薄膜應(yīng)力滿(mǎn)足ISO 10423《井口裝置和采油樹(shù)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中變形能理論的要求。

2） 該方法能夠準(zhǔn)確地分析計(jì)算閥體不同位置的應(yīng)力、應(yīng)變。可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的爆破試驗(yàn)，大幅縮短設(shè)計(jì)、試驗(yàn)周期。

3） 采油閘閥閥體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過(guò)Pro／E軟件可以方便地比較不同的結(jié)構(gòu)形式和尺寸的受力情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)捷、高效的手段。

［1］ 范欽珊.壓力容器的應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)［M］.北京：原子能出版社，1979：10-15.

［2］ ISO10423，井口裝置和采油樹(shù)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］ 蘭州石油機(jī)械研究所.《國(guó)內(nèi)外高壓采油井口裝置》資料匯編［G］.1986：101-105.

［4］ 洪勉成陸培文，高鳳琴，等.閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994：25-47.

［5］ 鐘小敏戚新海，汪建華，等.井口裝置承壓本體有限元計(jì)算與討論［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1994，23（4）：37-39.

Stress Analysis of Valve Body Used in XFF52-25 Oil Gate Valve

Oil gate valve as the main pressure parts of wellhead equipment，its performance is directly related to the safety of the wellhead device.Because of the complex structure and geometry discontinuity，the mechanical analysis method has large error strength verification.Application of Pro／E software for three-dimensional gate valve body modeling，analysis and stress calculation of load，strain，stress of the XFF52-25 type gate valve is analyzed to provide basis for improving design and similar products.

oil producing wellhead；valve body；stress

TE931.102

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.015

1001-3482（2014）10-0068-03

2014-03-15

邱福壽（1981-），男，甘肅武威人，工程師，2004年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事采油井口裝置的設(shè)計(jì)工作，E-mail：zgskfs_gfs＠petrochina.com.cn。