孫曉迎+潘詠+李樹林

摘 要：壓裂設(shè)備設(shè)計過程中需充分保證強(qiáng)度性能和使用可靠性要求，并盡量降低零件尺寸和重量。利用ANSYS和Comsol Multiphysics軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、應(yīng)力云圖、總位移云圖和等效應(yīng)力云圖分析，為壓裂設(shè)備關(guān)鍵零件的科學(xué)設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓裂設(shè)備；關(guān)鍵零件；有限元；應(yīng)力云圖

中圖分類號：TE357 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0058-02

1 設(shè)計要求

石油、天然氣在開采過程中經(jīng)常會用到壓裂工藝，尤其是非常規(guī)石油和天然氣必須通過壓裂的工藝方法才能實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)。目前的壓裂工藝正在向“高壓力、大排量、多級壓裂、多井次、復(fù)合工藝”等方向發(fā)展，工作壓力可達(dá)15000Psi（103.5MPa）以上，這就要求設(shè)備必須具有耐高壓和高可靠性的特點。因此，需對設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計。

2 分析方法和過程

2.1 準(zhǔn)備工作

在有限元分析之前需進(jìn)行準(zhǔn)備工作，在Solidworks軟件中建立各關(guān)鍵零件的三維實體模型，然后另存為Ansys軟件可讀取的.X_T格式文件；而Comsol Multiphysics軟件直接可以讀取Solidworks的建模文件。

2.2 分析方法和過程

利用Ansys軟件進(jìn)行分析時，考慮到閥體材料實際使用過程中應(yīng)具備較好的塑性、強(qiáng)度及剛度等，根據(jù)相關(guān)資料可知soild 92號單元有十個節(jié)點，每個節(jié)點具有三個自由度：x、y和z方向上的位移，并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形和大張力的能力。為了更準(zhǔn)確地反映在實際工況中的受載情況，選取Soild 92號單元進(jìn)行仿真分析，零件材料AISI 4130，屈服強(qiáng)度517MPa，最大工作壓力103.5Mpa。模型以m為單位進(jìn)行建模，材料特性楊氏模量設(shè)置為E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.33，實際工作過程閥體零件內(nèi)壓為103.5MPa。

2.2.1 關(guān)鍵部件閘閥主要零件下閥蓋分析過程及結(jié)果

（1）下閥蓋實體模型網(wǎng)格劃分如圖1所示：

（2）下閥蓋Displacement vector sum應(yīng)力云圖如圖2所示：

由圖2可以看出，模型總位移最大為6.480×10-5m。

（3）下閥蓋Von Mises strss等效應(yīng)力云圖如圖3所示：

通過圖3可知，下閥蓋最大等效應(yīng)力值為9.020×108Pa。

2.2.2 壓裂球頭六通零件分析過程及結(jié)果

由于壓裂球頭六通零件為完全對稱零件，分析過程中分別對1/2模型，1/4模型分析，進(jìn)行對比分析。

（1）對1/2模型分析（如圖4～圖6）

1/2模型仿真結(jié)果：模型最大位移為1.39×10-4m，最大應(yīng)力值為7.887×108Pa。

（2）對1/4模型分析（如圖7～圖9）

1/4模型仿真結(jié)果：模型最大位移為4.95×10-5m，最大應(yīng)力值為7.177×108Pa。

對比1/2和1/4模型仿真結(jié)果，應(yīng)力與變形情況相差不大。由此，在一定程度上驗證了對對稱模型采取等分部分的仿真分析方法的合理性。

2.2.3 關(guān)鍵部件閘閥主要零件閥體分析過程及結(jié)果

取1/8閥體模型分析，處理過程及結(jié)果如圖10～圖12：

對閥體模型仿真及有限元分析結(jié)果：模型最大位移為7.973×10-5m，最大應(yīng)力值為6.624×108Pa。

綜合以上分析得出，零件關(guān)鍵和主要部位的受力和變形情況均在允許范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

通過對關(guān)鍵零件的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后結(jié)合使用工況，對仿真模型進(jìn)行有限元分析，并查明所承受應(yīng)力和變形位移情況，分析確認(rèn)選材和零件尺寸設(shè)計的合理性，對設(shè)備的科學(xué)、準(zhǔn)確設(shè)計具有重要幫助。

參考文獻(xiàn)：

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