陳文科，徐立新，祝傳鈺，繆 宸，袁 遠(yuǎn)

（招商局海洋裝備研究院有限公司，江蘇 海門 226100）

0 引言

近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，石油等能源的開采已從陸地延伸到深海，現(xiàn)有的深水鉆井船和半潛式鉆井平臺能在超過3000m水深的海底進(jìn)行鉆探開采作業(yè)。水下閘板防噴器是深海鉆井系統(tǒng)中保證鉆井安全作業(yè)的重要設(shè)備，通常安裝在海底井口上，作用是密封井內(nèi)的高壓，控制鉆井的壓力，當(dāng)發(fā)生井噴事故時(shí)，可在較短的時(shí)間內(nèi)切斷鉆桿，完成封井操作。防噴器在鉆井作業(yè)期間會(huì)頻繁地進(jìn)行加壓和泄壓操作，形成的壓力循環(huán)會(huì)使其承壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，隨著時(shí)間的推進(jìn)，有可能發(fā)生疲勞破壞。

在設(shè)計(jì)水下閘板防噴器時(shí)，通常會(huì)單獨(dú)對殼體、側(cè)門等主要承壓部件進(jìn)行疲勞分析，很少考慮防噴器裝配體裝配過程中的接觸和預(yù)緊力影響，邊界約束也不準(zhǔn)確，具有一定的局限性。對此，本文利用有限元分析軟件ANSYS對井口壓力為103MPa的水下閘板防噴器裝配體進(jìn)行建模，同時(shí)考慮各部件間的摩擦接觸和螺栓連接的預(yù)緊力影響。通過對裝配體在額定工作壓力下的應(yīng)力進(jìn)行分析，基于美國ASME規(guī)范[1]的S-N曲線對防噴器裝配體承壓結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，判斷設(shè)計(jì)是安全的。

1 防噴器有限元分析

1.1 裝配體建模

水下閘板防噴器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造滿足美國ASME Ⅷ-2[1]和API SPEC 16A[2]的要求，配備有針對不同直徑鉆桿的剪切閘板，可在45s內(nèi)剪切鉆桿，完成封井作業(yè)。該型閘板防噴器的額定工作壓力為103MPa；最大工作水深為3000m，海水靜壓為30.75MPa；液壓測試工況下的試驗(yàn)壓力為155MPa。防噴器內(nèi)部通常采用堆焊耐腐蝕合金的方式對與油氣有接觸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，而外部鋼結(jié)構(gòu)采用犧牲陽極外加防腐涂料的方式進(jìn)行保護(hù)。因此，在設(shè)計(jì)防噴器結(jié)構(gòu)時(shí)通常無需考慮腐蝕對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞的影響。

防噴器裝配體模型采用三維建模軟件SolidWorks構(gòu)建，并將其導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行簡化處理，將模型中的細(xì)小倒角、液壓通道和不重要的附屬件移除。有限元網(wǎng)格模型采用四面體單元、楔形體單元和六面體單元的混合網(wǎng)格，裝配體模型共有1661823個(gè)節(jié)點(diǎn)、460658個(gè)單元。水下閘板防噴器裝配體三維模型見圖1，有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖1 水下閘板防噴器裝配體三維模型

圖2 水下閘板防噴器裝配體有限元網(wǎng)格模型

1.2 材料參數(shù)

防噴器殼體、側(cè)門、液壓缸和端蓋等承壓結(jié)構(gòu)均采用屈服極限為517MPa的材料，其性能參數(shù)見表1。

表1 水下閘板防噴器材料性能參數(shù)

1.3 裝配和約束條件

裝配體模型采用螺栓連接，模型中的螺栓和螺桿連接采用梁單元模擬，便于在梁單元上施加螺栓預(yù)緊力。防噴器殼體、側(cè)門、液壓缸和端蓋之間采用摩擦接觸條件，摩擦因數(shù)為0.13。裝配體模型的約束設(shè)在防噴器下部的盲法蘭上，模型中同時(shí)約束法蘭端面的垂向位移和法蘭螺栓孔擠壓面的水平位移。

1.4 載荷環(huán)境

在ANSYS Workbench中構(gòu)建2個(gè)載荷環(huán)境。

1) 載荷環(huán)境1：重力加速度9.81m/s2、螺栓預(yù)緊力和殼體外表面海水靜壓30.75MPa。

2) 載荷環(huán)境2：重力加速度9.81m/s2、螺栓預(yù)緊力和殼體外表面海水靜壓30.75MPa及內(nèi)腔額定工作壓力103MPa。

1.5 應(yīng)力結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算，載荷環(huán)境1下裝配體模型的最大等效應(yīng)力為430.6MPa，載荷環(huán)境2下裝配體模型的最大等效應(yīng)力為459.2MPa，均滿足API SPEC 16A[2]推薦的基于畸變能理論的強(qiáng)度校核要求，即最大等效應(yīng)力不大于材料屈服強(qiáng)度。這說明該型水下閘板防噴器在額定工況下具有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)力強(qiáng)度條件滿足要求。

2 疲勞壽命分析

防噴器可看作高壓容器，其疲勞計(jì)算可按ASME Ⅷ-2[1]推薦的疲勞分析方法進(jìn)行。根據(jù)有限元分析[3]得到的交變應(yīng)力幅，結(jié)合ASME Ⅷ-2推薦的S-N曲線（S為作用應(yīng)力范圍；N為交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)），計(jì)算整個(gè)工作期限內(nèi)允許的總循環(huán)承壓次數(shù)，預(yù)測疲勞壽命。

2.1 S-N曲線

材料的疲勞性能用S與N的關(guān)系描述[4]。S-N曲線上的任意一點(diǎn)都可看作恒定應(yīng)力范圍S與交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N組成的數(shù)據(jù)對，表示當(dāng)S達(dá)到N時(shí)，該應(yīng)力范圍S將導(dǎo)致材料疲勞破壞。S-N曲線通常是根據(jù)材料的疲勞試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)得到的。由于防噴器可看作是一種高壓容器，同時(shí)各部件均為鍛件，無鑄造缺陷，沒有焊接接頭，故可采用ASME Ⅷ-2推薦的光桿試件S-N曲線對防噴器進(jìn)行疲勞計(jì)算。

ASME Ⅷ-2引入S-N曲線時(shí)先將最佳擬合曲線按最大平均應(yīng)力修正，然后取N=20，應(yīng)力幅取2的安全系數(shù)，取二者中的小值得到設(shè)計(jì)疲勞曲線，從而進(jìn)一步提高S-N曲線在工程設(shè)計(jì)中的安全裕度。

安全系數(shù)取20是考慮到數(shù)據(jù)分散度為2.0，尺寸因素為2.5，表面粗糙度和環(huán)境因素為4.0，三者相乘等于20。

ASME Ⅷ-2附錄3-F中以多項(xiàng)函數(shù)的方式提供了光桿的設(shè)計(jì)疲勞曲線。設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)N可基于應(yīng)力幅值Sa計(jì)算得出，計(jì)算式為

式(1)～式(3)中：C1～C11為光桿設(shè)計(jì)疲勞曲線的公式常數(shù)，其取值可參考表2；Cus為當(dāng)應(yīng)力單位為ksi時(shí)的單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；EFC為用于確定設(shè)計(jì)疲勞曲線的材料彈性模量；ET為平均溫度下被評定的材料彈性模量。

表2 ASME Ⅷ-2設(shè)計(jì)疲勞曲線公式常數(shù)

根據(jù)式(1)～式(3)擬合得到的設(shè)計(jì)S-N曲線見圖3。

圖3 ASME Ⅷ-2推薦的S-N曲線

2.2 疲勞分析評估

對于防噴器裝配體模型而言，只有內(nèi)腔會(huì)因井口壓力變化而出現(xiàn)頻繁的加壓和泄壓過程，產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)的交變應(yīng)力，而裝配體上因螺栓預(yù)緊力而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力和因工作環(huán)境而產(chǎn)生的靜水壓力是恒定不變的固定荷載。在ANSYS中，對于這種靜力載荷和動(dòng)態(tài)載荷的疊加作用，需采用Fatigue Tool模塊進(jìn)行非比例載荷疲勞壽命分析。ANSYS Workbench環(huán)境下的非比例載荷疲勞分析需用2個(gè)加載環(huán)境取代單一的加載環(huán)境，在進(jìn)行疲勞壽命分析時(shí)，用2個(gè)載荷環(huán)境的計(jì)算應(yīng)力值確定應(yīng)力范圍。裝配體模型通過載荷環(huán)境1和載荷環(huán)境2計(jì)算得到的最大交變應(yīng)力幅為302.9MPa（見圖4）。

圖4 水下閘板防噴器交變應(yīng)力幅云圖

假設(shè)防噴器每次都在額定工作壓力下滿負(fù)載工作，結(jié)合S-N曲線即可計(jì)算得到防噴器各位置的承壓次數(shù)，即疲勞壽命。本文計(jì)算得到的水下閘板防噴器的承壓次數(shù)分布云圖見圖5。防噴器承壓次數(shù)為13288次。API SPEC 16A和ASME Ⅷ-2均未對防噴器的判廢有明確的要求，但國內(nèi)的《防噴器檢查和維修》（SY/T 6160—2014）[6]對井控設(shè)備的報(bào)廢有明確規(guī)定。當(dāng)防噴器出廠時(shí)間滿16a時(shí)，將強(qiáng)制報(bào)廢。按照每年100次開關(guān)防噴器試壓計(jì)算，防噴器的最大承壓次數(shù)為1600次，本文分析的水下閘板防噴器的疲勞壽命為13288次承壓循環(huán)，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 水下閘板防噴器承壓次數(shù)分布云圖

3 結(jié) 語

本文通過有限元分析軟件ANSYS對水下閘板防噴器裝配體的額定工作工況進(jìn)行了應(yīng)力分析，并按API SPEC 16A推薦的強(qiáng)度分析方法進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度校核，結(jié)果表明該防噴器的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。在此基礎(chǔ)上，依照ASME Ⅷ-2推薦的疲勞曲線對防噴器裝配體的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算，得到了防噴器在滿負(fù)荷工作時(shí)的最小可承壓循環(huán)次數(shù)，遠(yuǎn)高于國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對井控設(shè)備的報(bào)廢要求，說明防噴器在正常工作情況下很難發(fā)生疲勞破壞，疲勞壽命并不是防噴器設(shè)計(jì)的制約條件，在防噴器初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化階段可不作過多關(guān)注。