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(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶401120)

油管掛安裝工具C形環(huán)變形量對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響

王麗男1，羅曉蘭1，葉曉節(jié)1，戚昱1，王懿1，段夢(mèng)蘭1，程友祥2

(1．中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶401120)

針對(duì)水深500 m、設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為34.5 MPa(5 000 psi)，設(shè)計(jì)溫度為-18～121°條件下的立式采油樹，研究C形鎖緊環(huán)在鎖緊過程中的變形量對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。理論分析C形鎖緊環(huán)在擴(kuò)張過程中，其表面最大應(yīng)力與C形環(huán)變形量之間的關(guān)系，得到簡(jiǎn)化公式。建立有限元計(jì)算模型，使用ABAQUS軟件分析研究了C形鎖緊環(huán)變形量對(duì)其強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：分析的結(jié)果與力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果吻合較好，簡(jiǎn)化公式對(duì)初始設(shè)計(jì)具有一定參考性。

油管懸掛器；C形鎖緊環(huán)；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度

Abstract：According to the 500 m depth condition of vertical tree，the design pressure is 5，000 psi and the design temperature is -18 to 121 degrees.During the analysis of expansion process，the relationship between deformation of C shape locking ring and its structural strength are studied.The relationship between the maximum stress and deformation of the surface，and simplified formula will be calculated.The finite element calculation model is established，and the influence of the deformation of the C shaped lock ring on its strength is analyzed with ABAQUS software.The results show that the analytical results are in good agreement with the calculated results of the mechanical model.

Keywords：tubing hanger；C type locking ring；structure；strength

油管懸掛器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用重大。作為采油樹的核心部件，起到連接懸掛油管、形成油流通道、提供井下修井通道、保證足夠的密封屏障等作用。為了保證順利安裝回收油管懸掛器，需要設(shè)計(jì)專用的安裝下放工具——油管懸掛器下放安裝工具(THRT)。在安裝和回收的過程中，最關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)由液壓控制THRT的驅(qū)動(dòng)環(huán)，使THRT與油管掛成功鎖緊與解鎖[1]。因此，油管懸掛器安裝工具的鎖緊裝置起到了至關(guān)重要的作用，需要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性能和壽命3個(gè)方面保證C形鎖緊環(huán)的功能可靠性[2]。本文重點(diǎn)研究C形環(huán)變形量對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

C.E.MERLIN和J.K.THOMSON等[3-4]對(duì)管線試樣中C形環(huán)進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)分析。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)于水下采油樹及其配套安裝工具的研究仍處于摸索階段，而關(guān)于油管懸掛器安裝工具鎖緊機(jī)構(gòu)的研究分析還處于起步階段。中國(guó)石油大學(xué)(北京)趙宏林老師[5]等對(duì)油管懸掛器安裝工具上鎖緊環(huán)的開口角度和徑向擠壓力進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析；王軍等、姚春本等和易黃高等[6-8]主要針對(duì)井口連接器和油管懸掛器的鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，尤其后者深入探討了C形鎖緊環(huán)開口角度對(duì)鎖緊環(huán)強(qiáng)度的影響。本文針對(duì)C形鎖緊環(huán)在鎖緊過程，建立物理和力學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到應(yīng)力-變形撓度關(guān)系式，并且對(duì)公式計(jì)算應(yīng)力值與有限元模擬應(yīng)力值進(jìn)行比較。

1 油管懸掛器安裝工具鎖緊機(jī)構(gòu)理論分析

1.1鎖緊機(jī)構(gòu)的工作原理

油管懸掛器安裝工具(以下簡(jiǎn)稱THRT)和油管掛(以下簡(jiǎn)稱TH)之間的鎖緊連接部位如圖1～2所示。在鎖緊過程中，液壓驅(qū)動(dòng)環(huán)在液壓推動(dòng)力的作用下向下移動(dòng)，在向下移動(dòng)的過程中對(duì)C形鎖緊環(huán)產(chǎn)生擠壓力。在鎖緊過程中，因?yàn)镃形環(huán)是彈性元件，其會(huì)產(chǎn)生徑向和周向擴(kuò)張，最終C形環(huán)完全擠壓入TH和THRT連接的鎖緊卡槽中。此時(shí)完成THRT與TH之間的連接操作，斷開操作與之相反。

圖1 C形鎖緊環(huán)模型、驅(qū)動(dòng)活塞局部模型、簡(jiǎn)化主體局部模型

圖2 TH提升環(huán)局部模型

以C形鎖緊環(huán)為研究對(duì)象，建立圖3所示的C形鎖緊環(huán)鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖。

1—液壓驅(qū)動(dòng)活塞；2—C形鎖緊環(huán)；3—TH提升環(huán)鎖緊卡槽。圖3 C形鎖緊環(huán)的鎖緊機(jī)構(gòu)

1.2物理模型

計(jì)算C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值與C形鎖緊環(huán)變形量之間的關(guān)系時(shí)，有如下基本假設(shè)：C形鎖緊環(huán)發(fā)生平面彎曲時(shí)符合平面假設(shè)，C形鎖緊環(huán)在變形過程中保持形狀為弧形。

C形鎖緊環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，可以視為軸對(duì)稱模型。

計(jì)算C形鎖緊環(huán)在擴(kuò)張過程中的應(yīng)力和變形量，考慮的外載荷有彎矩、軸力和剪力。C形鎖緊環(huán)由于受到彎矩、軸力和剪力，不斷擴(kuò)張和伸長(zhǎng)，使得其受到的擠壓力不斷變化。C形鎖緊環(huán)的變形量由彎矩、軸力和剪力作用產(chǎn)生，且擠壓力難以用定量公式表示。因此，在本文理論計(jì)算中考慮C形環(huán)的變形量與彎矩、軸力和剪力關(guān)系。

圖4 C形鎖緊環(huán)的結(jié)構(gòu)

1.2.1計(jì)算支座力

圖5 大開口時(shí)C形環(huán)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型

(1)

1.3建立鎖緊環(huán)表面應(yīng)力σ與作用力q的關(guān)系式

根據(jù)材料力學(xué)，如圖5所示鎖緊環(huán)在外載荷作用下，橫截面上存在彎矩M、軸力N和剪力Q。由于剪力對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力很小，在應(yīng)力計(jì)算中可以不考慮[10]，因此應(yīng)力計(jì)算公式為：

(2)

將式(1)支反力帶入式(2)中得到鎖緊環(huán)表面應(yīng)力σ與作用力q的關(guān)系式：

(3)

式中：N為應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)受到的軸力，N；A為截面積，m2；My為應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)受到的彎矩，N·m；y′為應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)到中性軸的距離，m；IZ為截面慣性矩，m4。

1.4建立鎖緊環(huán)變形量Δ與作用力q的方程

如圖6所示為C形鎖緊環(huán)在均布內(nèi)壓作用下引起的右端點(diǎn)B徑向位移Δ和徑向擠壓均布載荷q的關(guān)系。

圖6 C形鎖緊環(huán)初始和鎖緊后狀態(tài)

變形量Δ與作用力q之間的關(guān)系：

在受彎桿件中，由于剪切和拉壓變形的影響很小，因此只考慮彎曲變形。易黃高等人[8]考慮初始大開口角度C形鎖緊環(huán)，將其簡(jiǎn)化為弧形結(jié)構(gòu)，通過莫爾積分法求出C形鎖緊環(huán)的開口變形量。

此時(shí)C形環(huán)的開口變形量公式中的未知量為q，提取均布載荷q得：

(4)

式中：Δ為C形鎖緊環(huán)變形量，m；E為C形鎖緊環(huán)的彈性模量，GPa；θ為C形環(huán)開口角度，(°)。

1.5建立C型環(huán)外表面最大應(yīng)力值σ與撓度Δ的關(guān)系式

通過推導(dǎo)撓度與C形環(huán)外表面最大應(yīng)力值σ與撓度Δ的關(guān)系式，能夠在初步設(shè)計(jì)C形環(huán)時(shí)，從其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮，根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度，來設(shè)計(jì)鎖緊環(huán)初始開口角度的大小。

根據(jù)上文中的推導(dǎo)，綜合下式，可整理得到式(5)。

(5)

σmax=6.196 MPa

2 鎖緊機(jī)構(gòu)有限元分析

在C形鎖緊環(huán)鎖緊過程中，液壓力擠壓驅(qū)動(dòng)環(huán)向下運(yùn)動(dòng)，使其張開并和提升環(huán)接觸，達(dá)到鎖緊狀態(tài)。當(dāng)C形鎖緊環(huán)開口角度不再變化，此時(shí)C形鎖緊環(huán)在驅(qū)動(dòng)環(huán)和提升環(huán)作用下達(dá)到鎖緊的最終狀態(tài)。

有限元模型采用顯示準(zhǔn)靜態(tài)分析模型。模型中C形鎖緊環(huán)的材料為30W4Cr2VA，提升環(huán)的材料為20CrNiMo，上述材料均選用理想彈塑性模型。材料參數(shù)如表1所示。

表1 各部件材料屬性

鎖緊過程中，驅(qū)動(dòng)環(huán)在驅(qū)動(dòng)力作用下，有豎直方向運(yùn)動(dòng)，因此，約束其豎直方向位移為-0.03 mm，其他方向均無位移。C形鎖緊環(huán)受到THRT對(duì)其豎直方向限位作用，C形鎖緊環(huán)在豎直方向位移為0；TH提升環(huán)在鎖緊過程中定義為剛性固定。

由圖7可知，在液壓鎖緊過程中，在未與提升環(huán)內(nèi)壁卡槽接觸前，C形鎖緊環(huán)最大應(yīng)力位置在其對(duì)稱軸且遠(yuǎn)離開口的位置，外表面最大應(yīng)力為745.2 MPa。通過與理論模型計(jì)算的最大應(yīng)力值6.196 MPa對(duì)比得，在C形鎖緊環(huán)擴(kuò)張伸長(zhǎng)過程中，其變形量對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響不大，而影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的是擠壓力，即層間接觸應(yīng)力。

由圖7～9可知，在隨著C形鎖緊環(huán)不斷擴(kuò)張過程中，最大應(yīng)力位置向開口處移動(dòng)。當(dāng)C形鎖緊環(huán)與提升環(huán)內(nèi)壁卡槽接觸后，鎖緊環(huán)上的最大應(yīng)力將出現(xiàn)在開口處。證明在C形鎖緊環(huán)不斷擴(kuò)張過程中，當(dāng)鎖緊環(huán)與卡槽發(fā)生層間接觸后，C形鎖緊環(huán)的開口處與卡槽的接觸作用力最大，該計(jì)算的最大應(yīng)力點(diǎn)位置與文獻(xiàn)資料基本一致[11-12]。

圖7 C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力值

圖8 C形鎖緊環(huán)未與卡槽接觸前的應(yīng)力

圖9 C形鎖緊環(huán)與卡槽充分接觸后的應(yīng)力

4 結(jié)論

1) 利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)C形環(huán)的鎖緊過程進(jìn)行分析，得到C形鎖緊環(huán)變形量對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響很小，而層間接觸影響最大。

2) 在C形鎖緊環(huán)擴(kuò)張的過程中，由于C形鎖緊環(huán)與卡槽緩慢接觸，最大應(yīng)力點(diǎn)位置由鎖緊環(huán)中部慢慢轉(zhuǎn)移到缺口處。由分析知，鎖緊環(huán)和提升環(huán)兩者之間存在層間接觸，所以C形鎖緊環(huán)的最大應(yīng)力點(diǎn)的位置也隨之改變。

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ResearchofEffectonDeformationofCTypeLockingRingforTubingHangerRunningToolonStructuralStrength

WANG Linan1，LUO Xiaolan1，YE Xiaojie1，QI Yu1，WANG Yi1，DUAN Menglan1，CHENG Youxiang2

(1．CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China；2．ChongqingVanguardOffshorePetroleumEngineeringEquipmentCo.，Ltd.，Chongqing401120，China)

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.003

1001-3482(2017)05-0012-05

2017-03-12

國(guó)家工信部2013年高技術(shù)船舶(海洋裝備)科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2013]41號(hào))——水下采油樹配套工具研發(fā)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2016YFC0303700)資助

王麗男(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備設(shè)計(jì)，E-mail：linanwang.anne@foxmail.com。