張 川, 劉亞洲, 杜文波, 劉 鳴, 蔣發(fā)光, 魯燕山, 李朝均, 趙 琳

(1.四川寶石機(jī)械鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司, 四川 廣漢 618300; 2.川慶鉆探試修公司 重慶項(xiàng)目部, 重慶400021; 3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 成都 610500)

隨著油氣開采向深層油氣和特種油氣發(fā)展,高溫、超高壓?jiǎn)栴}日益顯著,對(duì)高性能防噴器的需求迫切[1-2],其中的雙閘板防噴器殼體的形狀復(fù)雜、工況多變、承壓高,其強(qiáng)度性能、結(jié)構(gòu)合理性、使用安全性備受關(guān)注[17]。謝新設(shè)等[3]在解決關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,研制出一種FZ35-105型防噴器。晏祥慧[4]、鄭泳[5]等分析了閘板防噴器殼體與側(cè)門的極限承載能力。嚴(yán)金林等[6]對(duì)雙閘板防噴器殼體進(jìn)行理論強(qiáng)度計(jì)算和數(shù)值模擬分析。唐洋等[7]對(duì)單閘板防噴器開展試驗(yàn)測(cè)試和有限元分析,并指出應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域。張寶生[8]等通過(guò)MSC Marc 軟件建立有限元模型,模擬可變徑閘板防噴器的工作過(guò)程,分析應(yīng)力的分布和變化規(guī)律。祝傳鈺等[9]考慮防噴器各部件的相互作用力,采用彈塑性分析方法對(duì)防噴器進(jìn)行強(qiáng)度分析。師波等[10]對(duì)2FZ35-70型雙閘板防噴器駐廠監(jiān)理過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)。安心鑫等[11]利用化學(xué)分析、宏觀斷口分析、顯微組織和掃描電鏡及力學(xué)性能分析等方法對(duì)防噴器的材料進(jìn)行分析。王鵬等[12]為分析閘板防噴器關(guān)井狀態(tài)時(shí)閘板與殼體的受力狀態(tài),在建立整套閘板防噴器三維仿真模型的基礎(chǔ)上,對(duì)其承壓殼體及雙閘板進(jìn)行了有限元分析。王浩華等[13]以防噴器(U形)閘板軸為研究對(duì)象,分析了閘板軸軸身受力與軸身應(yīng)力集中位置,并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。梁向東等[14]應(yīng)用子模型技術(shù)提取結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位,分析整體和局部應(yīng)力狀態(tài)。Tiejun Lin[15]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法和有限元模型來(lái)研究閘板防噴器的斷裂機(jī)理。相關(guān)研究表明,對(duì)140 MPa高壓下雙閘板防噴器殼體的強(qiáng)度探究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化較為缺乏。

當(dāng)前,防噴器正向140 MPa、179 ℃及以上的性能邁進(jìn)。如何既滿足強(qiáng)度要求,又達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為防噴器設(shè)計(jì)者的研究課題。本文以2FZ28-140型雙閘板防噴器殼體為研究對(duì)象,研究不同工況下防噴器殼體的應(yīng)力分布規(guī)律。采用響應(yīng)曲面法,以殼體質(zhì)量、最大應(yīng)力、薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜應(yīng)力-彎曲應(yīng)力組合應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo),建立設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)之間的優(yōu)化函數(shù),對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,獲得殼體的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 殼體模型建立與工況分析

基于《鉆通設(shè)備》(API Spec 16A/ISO13533)、《井口裝置和采油樹規(guī)范》(ANSI/API Spec 6A)、《固定式壓力容器》(GB150-2011)、《鍋爐和壓力容器規(guī)范》(ASME)等防噴器設(shè)計(jì)基本規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合140 MPa、180 ℃、139.7 mm(5")鉆桿等技術(shù)要求,設(shè)計(jì)出雙閘板防噴器,如圖1所示。圖2所示為雙閘板防噴器的殼體結(jié)構(gòu),分為上下2個(gè)腔室,用于安裝全封閘板和半封閘板。

圖1 雙閘板防噴器三維模型

圖2 雙閘板防噴器殼體

結(jié)合2FZ28-140型雙閘板防噴器的技術(shù)參數(shù),完成殼體的初步設(shè)計(jì)。建立殼體在整體試壓工況和剪切鉆具后全封工況下的分析模型與載荷模型,如圖3。整體試壓工況時(shí),殼體承受額定工作壓力(140 MPa)和試驗(yàn)壓力(206 MPa)2種試壓載荷;剪切鉆具后全封工況時(shí)(后文中簡(jiǎn)稱全封工況),殼體需考慮額定壓力(140 MPa)工況下結(jié)構(gòu)安全;過(guò)鉆桿的豎直圓柱內(nèi)腔、裝閘板橢圓形截面腔均承受高壓p作用。

圖3 殼體分析模型與載荷

除內(nèi)部作用壓力p外,殼體還承受上法蘭處螺栓載荷F1、下法蘭處螺栓載荷F2、液缸連接螺栓載荷F3。相比整體試壓工況,全封工況時(shí)閘板密封了上部腔室,密封面受到閘板向上推力FN作用。結(jié)合防噴器組尺寸參數(shù)、承受壓力等,計(jì)算得到殼體的載荷,如表1所示。殼體材料的彈性模量209 GPa、泊松比0.293、拉伸極限強(qiáng)度759 MPa、屈服強(qiáng)度621 MPa。

表1 雙閘板防噴器核心載荷數(shù)據(jù)

2 雙閘板防噴器殼體強(qiáng)度分析

殼體下法蘭面施加縱向約束,中間對(duì)開面施加對(duì)稱約束。按照如圖3所示載荷施加方式和表1所示載荷數(shù)值,在殼體內(nèi)部承壓面施加對(duì)應(yīng)工況的壓力p,在側(cè)門螺栓孔和上下螺栓孔處施加F1、F2、F3、FN。對(duì)2種工況下的防噴器殼體進(jìn)行分析,得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙閘板防噴器殼體應(yīng)力云圖

由圖4a可知,額定壓力下殼體危險(xiǎn)部位的最大等效應(yīng)力為616 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度621 MPa。殼體最危險(xiǎn)部位位于垂直主通道和2個(gè)閘板腔相貫線處,存在較大的應(yīng)力集中位置。由圖4c可知,全封工況下殼體在垂直通孔與橢圓形通孔相貫部位存在應(yīng)力集中,是由于閘板下方高壓鉆井液助封力的作用,使閘板與閘板腔接觸部分的接觸力較大,最大應(yīng)力位于雙閘板頂部的閘板與橢圓通道接觸的區(qū)域內(nèi)。為校核雙閘板防噴器殼體強(qiáng)度的可靠性,根據(jù)防噴器殼體尺寸參數(shù)和載荷參數(shù),結(jié)合文獻(xiàn)[16]得出防噴器危險(xiǎn)路徑的校核數(shù)據(jù),即:薄膜應(yīng)力Pm<[σ]=291 MPa;薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力(Pm+Pb)<1.5[σ]=437 MPa;總應(yīng)力σ<σb=759 MPa。結(jié)合圖3危險(xiǎn)路徑和圖4殼體的應(yīng)力云圖,提取危險(xiǎn)路徑應(yīng)力,結(jié)果如表2所示。

表2 2種工況下路徑應(yīng)力校核數(shù)據(jù)

結(jié)合表2中狀態(tài)1、狀態(tài)3分析結(jié)果,按照壓力容器的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),雙閘板防噴器的殼體均滿足在140 MPa下整體試壓和全封工況2種最危險(xiǎn)工況的強(qiáng)度要求。綜合評(píng)判,全封工況下相對(duì)危險(xiǎn)。在靜水壓206 MPa下進(jìn)行強(qiáng)度校核,其校核數(shù)據(jù)為:薄膜應(yīng)力Pm≤0.95[σ]=590 MPa;當(dāng)Pm≤0.67[σ]=416 MPa時(shí)薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力Pm+Pb≤0.67[σ]=888 MPa。提取危險(xiǎn)路徑應(yīng)力結(jié)果如表2中狀態(tài)2所示,雙閘板防噴器殼體均滿足靜水壓測(cè)試工況(206 MPa)的強(qiáng)度要求,其應(yīng)力集中部位與額定壓力下的分布規(guī)律基本一致。

3 基于相應(yīng)曲面法的雙閘板殼體多目標(biāo)

參數(shù)優(yōu)化

在對(duì)閘板防噴器進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí),為避免其他非結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響,需要對(duì)有限元分析模型的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。對(duì)整體殼體網(wǎng)格選取20～10 mm的尺寸進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證、對(duì)危險(xiǎn)受力面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,選取1～5 mm進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,得到如圖5所示驗(yàn)證規(guī)律曲線,確定整體網(wǎng)格選擇10 mm、局部網(wǎng)格加密選擇1 mm作為網(wǎng)格劃分長(zhǎng)度。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

3.1 殼體多目標(biāo)優(yōu)化研究

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,選用剪切鉆具后全封工況進(jìn)行殼體優(yōu)化分析。分析結(jié)果顯示,殼體閘板腔高度、半徑、內(nèi)部相貫線倒角對(duì)防噴器應(yīng)力影響較大,下法蘭頸部高度和殼體高度對(duì)防噴器的總體質(zhì)量m影響較大。因此,取下法蘭頸部高度H1、殼體高度H2、閘板腔寬度L、閘板腔半徑R1、相貫線倒角R2為結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量。

1) 確定防噴器殼體的設(shè)計(jì)變量。

X=[x1;x2;x3;x4;x5]T=[H1;H2;L;R1;R2]T

(1)

2) 制定防噴器殼體的約束函數(shù)。

minxi≤xi≤maxxi(i=1,2,3,4,5)

(2)

3) 明確防噴器殼體的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

(3)

采用響應(yīng)曲面法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì),需要大量的設(shè)計(jì)變量試驗(yàn)點(diǎn)。因復(fù)合中心試驗(yàn)點(diǎn)法比其他方法產(chǎn)生的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)多、精度高、模型性穩(wěn)健[15],故采用中心復(fù)合試驗(yàn)點(diǎn)法,生成27組設(shè)計(jì)變量的試驗(yàn)點(diǎn),分析結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

3.2 優(yōu)化實(shí)施與最優(yōu)模型確定

在考慮各優(yōu)化變量交互影響的情況下,對(duì)上述中心試驗(yàn)點(diǎn)法生成的試驗(yàn)點(diǎn)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面擬合。為保證響應(yīng)面擬合的準(zhǔn)確性,再次生成3組驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行有限元求解,對(duì)驗(yàn)證點(diǎn)求解結(jié)果與擬合響應(yīng)面進(jìn)行誤差驗(yàn)證,如表4所示。由表4可知,其中3組試驗(yàn)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力σ誤差分別為0.2%、0.0%、0.4%,另外3組驗(yàn)證點(diǎn)的誤差略高于試驗(yàn)點(diǎn),分別為2.6%、2.1%、2.7%。試驗(yàn)點(diǎn)與驗(yàn)證點(diǎn)的誤差均小于3%,證明了該組試驗(yàn)點(diǎn)所擬合的各設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化變量之間的響應(yīng)面,可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其他任意組合參數(shù)下的目標(biāo)函數(shù)值。

表4 殼體參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)力誤差

基于最大等效應(yīng)力、最大薄膜應(yīng)力、最大彎曲應(yīng)力、最大組合應(yīng)力、最大質(zhì)量5個(gè)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的合結(jié)果,并按照等權(quán)重的優(yōu)化原則,即各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化重要性相同,進(jìn)行區(qū)間搜索,達(dá)到收斂,得到最終的優(yōu)化結(jié)果,如表5所示。

表5 優(yōu)化前后對(duì)比數(shù)據(jù)

根據(jù)表5可知,相較于原結(jié)構(gòu)尺寸,最大等效應(yīng)力、最大薄膜應(yīng)力、最大彎曲應(yīng)力、最大組合應(yīng)力、最大質(zhì)量分別降低了5.4%、3.4%、18.6%、11.7%、5.2%。在保證殼體強(qiáng)度的情況下,殼體的整體應(yīng)力、質(zhì)量和高度有了一定程度的降低。

為了確定殼體的強(qiáng)度和安全性,對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模加載,并重新進(jìn)行應(yīng)力校核。校核結(jié)果如圖6和表6所示。

從圖6所示應(yīng)力結(jié)果(583.3 MPa)來(lái)看,相比優(yōu)化前應(yīng)力集中(616.3 MPa)明顯減小,且按ASME標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

1) 以前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)建立載荷計(jì)算模型與有限元分析模型,完成2FZ28-140型雙閘板防噴器的殼體在危險(xiǎn)工況的有限元分析與性能評(píng)價(jià),利用響應(yīng)曲面法對(duì)殼體進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

2) 最初設(shè)計(jì)的雙閘板防噴器滿足理論強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),但在垂直通孔與長(zhǎng)圓形通孔貫穿的相貫線處存在著較大的應(yīng)力集中,需要優(yōu)化處理。

3) 優(yōu)化后的防噴器滿足各工況強(qiáng)度、剛度要求,優(yōu)化前后殼體的質(zhì)量、最大應(yīng)力、危險(xiǎn)薄膜應(yīng)力、危險(xiǎn)彎曲應(yīng)力、危險(xiǎn)組合應(yīng)力分別降低5.2%、5.4%、3.4%、18.6%、11.7%。