(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

隨著淺油層石油不斷枯竭，石油鉆探和勘探深度越來(lái)越深。目前，我國(guó)的深海鉆井平臺(tái)鉆探深度已達(dá)到上萬(wàn)米，地層壓力超過(guò)100Mpa，鉆探設(shè)備所需的連接器及其組件的承受液壓能力也在不斷提升，目前石油連接器及組件使用工況不同承壓值一般分為為140Mpa、175MPa和210MPa三個(gè)等級(jí)。根據(jù)壓力容器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個(gè)等級(jí)，其中0.1Mpa～1.6Mpa稱為低壓；1.6Mpa～10Mpa稱為中壓；10Mpa～100Mpa稱為高壓；100Mpa～1000Mpa甚至更高稱為超高壓[1][2]，石油連接器及組件使用環(huán)境等級(jí)屬于超高壓范疇。

根據(jù)TSG 21-2016特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范1.3適用規(guī)范，高液壓試驗(yàn)裝置不滿足特種設(shè)備，可進(jìn)行自主加工設(shè)計(jì)。為了加快深井作業(yè)的高液壓電連接器及組件的研制效率，本文利用三維軟件對(duì)高液壓裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模。然后，通過(guò)仿真軟件對(duì)高液壓裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，查找裝置的薄弱點(diǎn)，并對(duì)工裝進(jìn)行優(yōu)化；最后，對(duì)優(yōu)化后的裝置進(jìn)行機(jī)加工生產(chǎn)，并通過(guò)高液壓試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)物設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

2 模型建立

為了驗(yàn)證石油連接器及組件耐高液壓的能力，并降低試驗(yàn)成本，本文提出了一種耐210MPa液壓的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案，高液壓試驗(yàn)裝置主要包括腔體和擋板結(jié)構(gòu)兩部分。

2.1 高液壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電連接器高液壓試驗(yàn)裝置采用兩體式結(jié)構(gòu)，其中擋板采用凸臺(tái)式密封設(shè)計(jì)，即凸臺(tái)外壁設(shè)有兩道密封槽，用于安裝密封圈；殼體和擋板外圍設(shè)有固定螺栓孔，螺栓穿過(guò)固定螺栓孔保證兩體裝置的結(jié)合力，其幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 高液壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

由于擋板和殼體使用螺栓固定，當(dāng)裝置內(nèi)部液壓達(dá)到一定值時(shí)，螺栓發(fā)生軸向變形拉伸，使得殼體與擋板發(fā)生軸向小間隙，而擋板凸臺(tái)式密封設(shè)計(jì)可有效解決因螺栓拉伸導(dǎo)致殼體與擋板之間密封性不良的問(wèn)題。

根據(jù)裝置的實(shí)際使用環(huán)境，擋板的安裝與拆卸受到其配合尺寸、體積和質(zhì)量的限制，不易將擋板和腔體分離，或易發(fā)生卡塞、卡死等問(wèn)題，故在擋板上設(shè)計(jì)四個(gè)均布的拆卸螺紋孔，其位置位于固定螺栓孔中心圓與凸臺(tái)外徑連線的中心圓上，如圖2所示。

圖2 液壓裝置擋板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2可知，可使用拆卸螺栓擰過(guò)擋板拆卸螺紋孔，通過(guò)扭矩扳手加載扭矩使得拆卸螺栓頂住殼體端面，將擋板與殼體進(jìn)行分離。

2.2 螺栓的強(qiáng)度計(jì)算

殼體與擋板通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)兩者之間的固定，裝置的承壓能力由螺栓的個(gè)數(shù)和單個(gè)螺栓的強(qiáng)度決定。由圖1可知，液壓軸向上作用到擋板凸臺(tái)端面，凸臺(tái)與固定螺紋孔之間構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。結(jié)合裝置的承壓條件，可計(jì)算出固定殼體與擋板所需的鎖緊力。

F=P×S

(1)

式中，F(xiàn)-擋板凸臺(tái)承受的軸向力；

P-擋板凸臺(tái)承受的軸向壓力；

S-擋板凸臺(tái)端面面積。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 3098.1-2010和GB/T3098.2-2015對(duì)比強(qiáng)度12.9級(jí)的不同規(guī)格螺栓和螺母承受力，如表1所示。

表1 不同規(guī)格螺栓對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)液體壓強(qiáng)條件，由公式(1)和(2)可求出所需螺栓的個(gè)數(shù)k，

(2)

式中，k-所需螺栓的個(gè)數(shù)；

F-擋板承受的壓力，N；

f-單根螺栓或螺母的承受力，N。

本文利用公式(1)和(2)對(duì)175MPa和210MPa條件下所需的不同尺寸螺栓個(gè)數(shù)k進(jìn)行計(jì)算，如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)條件下所需不同規(guī)格螺栓個(gè)數(shù)對(duì)比

為了保證裝置在210MPa的安全使用，故采用12根12.9級(jí)M20螺栓設(shè)計(jì)。

2.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到高液壓試驗(yàn)裝置的通用性要求，本文高液壓試驗(yàn)裝置內(nèi)腔尺寸定為直徑為134mm，長(zhǎng)度為241mm。

3 高液壓試驗(yàn)裝置的仿真分析

本文對(duì)裝置的材料進(jìn)行對(duì)比分析，使用靜力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并設(shè)置材料的相關(guān)參數(shù)。

3.1 材料的選擇

石油類連接器殼體及組件殼體材料一般選擇GH4145、718合金以及17-4PH等，結(jié)合材料成本，高液壓試驗(yàn)裝置材料從17-4PH不同態(tài)中選擇，其參考標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A564，表3為17-4PH鍛造件不同態(tài)下的抗拉屬性。

表3 17-4PH鍛造件的最小抗拉屬性

根據(jù)連接器及組件實(shí)驗(yàn)的高液壓輸入?yún)?shù)，結(jié)合表3可知，H1025態(tài)的17-4PH滿足其性能要求，并結(jié)合不同態(tài)材料的價(jià)格。故選取17-4PH H1025態(tài)作為高液壓試驗(yàn)裝置的加工基材。基材的直徑通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真進(jìn)行計(jì)算確定。

3.2 高液壓試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

本文采用仿真軟件對(duì)高液壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確定裝置的壁厚。由于裝置尺寸過(guò)大，將外殼進(jìn)行1/12等分建模，有效降低仿真分析的計(jì)算量[3]。

3.2.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

由于高液壓試驗(yàn)裝置的長(zhǎng)期使用條件為常溫、175MPa，極限使用條件為常溫、210MPa,故對(duì)裝置加載210MPa的壓強(qiáng)，對(duì)1/12橫截面加載無(wú)摩擦約束支撐，固定支撐加載于殼體六方端面。

高液壓試驗(yàn)裝置形狀不規(guī)則，無(wú)法保證網(wǎng)格狀態(tài)一致性，導(dǎo)致存在奇點(diǎn)，而六方體網(wǎng)格劃分能夠降低裝置奇點(diǎn)的存在以及計(jì)算機(jī)的計(jì)算量[4]，故采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分。1/12部件網(wǎng)格劃分效果圖如圖3所示，1/12部件無(wú)摩擦支撐效果圖如圖4所示，1/12部件壓力加載效果圖如圖5所示。

圖3 1/12部件網(wǎng)格劃分圖

圖4 1/12部件無(wú)摩擦支撐約束圖

圖5 1/12部件壓力加載圖

2.2.2 高液壓試驗(yàn)裝置仿真分析

裝置的可靠性可通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)形變進(jìn)行衡量[5]，本文對(duì)210MPa條件下，裝置的總形變和應(yīng)力分布進(jìn)行分析。圖6為1/12部件在210MPa條件下的總形變圖。圖7為1/12部件在210MPa條件下的應(yīng)力分布圖。

由圖6可知，其總形變量為0.386mm，其殼體總長(zhǎng)為400mm，通過(guò)計(jì)算可知，其形變?yōu)?.965‰，在安全余量范圍內(nèi)。

圖6 1/12部件在210MPa條件下的總形變圖

圖7 1/12部件在210MPa條件下的應(yīng)力分布圖

由圖7可知，其最大應(yīng)力分布在內(nèi)腔根部，故在內(nèi)腔根部設(shè)計(jì)圓弧過(guò)度角，降低集中應(yīng)力分布；殼體1/12部件的均值應(yīng)力在500MPa左右為 17-4PH H1025態(tài)屈服強(qiáng)度的一半，故工裝處于安全余量范圍內(nèi)。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，210MPa條件下，工裝壁厚為30mm，能夠保證裝置安全用于生產(chǎn)。故選擇直徑為278mm的17-4PH棒材進(jìn)行車削加工裝置。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)已對(duì)51件產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)裝配如圖8所示，拆卸安裝如圖9、圖10和圖11所示。

圖8 工裝實(shí)物圖

由圖8可知，本文設(shè)計(jì)的工裝能夠在210MPa條件下，保障安全可靠運(yùn)行。

圖9 拆卸圖

由圖9拆卸螺栓通過(guò)拆卸螺紋孔將擋板與殼體分離，有效降低拆卸過(guò)程中密封面的磨損。

圖10 殼體及固定工裝圖

圖11 拆卸擋板圖

尺寸(mm)試驗(yàn)前(mm)試驗(yàn)后(mm)殼體外徑275±0.05275.02-275.05275.02-275.05密封直徑135.05-135.08135.05-135.08殼體長(zhǎng)度337337.1337.1擋板密封直徑135.0-134.95135.0-134.95擋板直徑275±0.05274.95-275.03274.97-275.03

通過(guò)測(cè)量51次使用后的工裝尺寸，其外工裝的殼體及擋板的外徑長(zhǎng)度符合圖紙要求，試驗(yàn)前后工裝的尺寸無(wú)變化，其對(duì)比如表4可知。由于裝置尺寸較大，考慮測(cè)量誤差，由表4可知，裝置實(shí)驗(yàn)前后尺寸無(wú)變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用理論計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，驗(yàn)證了高液壓試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性，能夠滿足210MPa液壓條件下的安全使用。首先，通過(guò)理論計(jì)算出裝置所需螺栓的強(qiáng)度和個(gè)數(shù)及螺栓規(guī)格；其次，根據(jù)工裝的體積、重量，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的輔助工裝，便于高液壓試驗(yàn)裝置的安裝、拆卸和固定。最后，通過(guò)50余次高液壓實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高液壓試驗(yàn)裝置的安全性和合理性。