修井動(dòng)力水龍頭疲勞有限元分析方法研究

(遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)①

動(dòng)力水龍頭通過與小修作業(yè)設(shè)備結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大修或鉆井設(shè)備，完成套銑、磨銑、鉆塞、切割、倒扣、開窗側(cè)鉆等作業(yè)[1-3]，降低了作業(yè)成本。修井動(dòng)力水龍頭具有結(jié)構(gòu)緊湊、受作業(yè)場地限制少及運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外對動(dòng)力水龍頭裝置的需求量也越來越大。

國內(nèi)一些學(xué)者對動(dòng)力水龍頭的強(qiáng)度[4-7]和疲勞[8-9]進(jìn)行了仿真分析研究。在疲勞分析過程中，直接采用額定載荷作為邊界條件進(jìn)行分析，并未考慮動(dòng)力水龍頭的實(shí)際工況，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于保守，材料浪費(fèi)嚴(yán)重；在確定材料疲勞性能時(shí)，直接采用實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，未按照API 8C標(biāo)準(zhǔn)[10]推薦的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行修正。

本文依據(jù)API SPEC 8C《鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范》和歐洲機(jī)械搬運(yùn)協(xié)會(huì)FEM1.001《起重設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合動(dòng)力水龍頭實(shí)際工況和有限元分析特點(diǎn)，提出一種滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的動(dòng)力水龍頭疲勞有限元分析方法。

1 疲勞分析方法

小修作業(yè)設(shè)備將作業(yè)管柱下入到準(zhǔn)備作業(yè)位置后，安裝動(dòng)力水龍頭進(jìn)行作業(yè)；作業(yè)完畢，拆卸動(dòng)力水龍頭，起出作業(yè)管柱。動(dòng)力水龍頭承受載荷為作業(yè)過程中井下管柱重力和作業(yè)力，最大不能超過動(dòng)力水龍頭的額定載荷。在強(qiáng)度分析時(shí)采用額定載荷進(jìn)行分析，但在疲勞分析時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)力水龍頭實(shí)際工作狀況進(jìn)行分析。

動(dòng)力水龍頭在服役過程中承受的載荷為變載荷。假設(shè)動(dòng)力水龍頭在各應(yīng)力下的疲勞損傷獨(dú)立進(jìn)行，且總損傷可線性累加，依據(jù)Palmgren-Miner理論確定疲勞壽命。將動(dòng)力水龍頭在服役過程中承受載荷劃分為m個(gè)區(qū)段(區(qū)段劃分越細(xì)越接近實(shí)際)，假設(shè)在第i個(gè)載荷區(qū)段Pi，預(yù)期服役工作比例為ki，達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)為Ni，則動(dòng)力水龍頭設(shè)計(jì)壽命N為：

2 材料疲勞性能確定

材料的疲勞性能數(shù)據(jù)可通過試樣試驗(yàn)確定。針對碳鋼材料，當(dāng)缺乏材料疲勞極限數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)材料軸向拉伸性能數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式[11]進(jìn)行計(jì)算。

σbw=0.5σs

(2)

式中：σbw為材料疲勞極限強(qiáng)度，MPa；σs為材料屈服強(qiáng)度，MPa。

對于高周疲勞，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況對材料疲勞極限強(qiáng)度進(jìn)行修正。影響材料疲勞性能的因素包括5個(gè)方面。

1) 應(yīng)力集中。在零件幾何形狀突變處，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。疲勞設(shè)計(jì)采用理論計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力集中影響；但采用有限元分析時(shí)，因分析過程已考慮應(yīng)力集中，可取應(yīng)力集中系數(shù)ks為1。

2) 零件尺寸。材料性能試驗(yàn)通常采用的試樣尺寸為6～10 mm，而設(shè)計(jì)零件的尺寸一般與試樣有較大差別，引入尺寸系數(shù)kd修正該影響。

3) 表面條件。材料性能試驗(yàn)的試樣表面經(jīng)過磨光，而實(shí)際零件表面加工各不相同，粗糙表面會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低，引入表面加工系數(shù)ku進(jìn)行修正。

4) 腐蝕狀態(tài)。零件工作環(huán)境的腐蝕性對疲勞極限也存在影響，引入腐蝕系數(shù)kc進(jìn)行修正。

5) 載荷變化。載荷譜對零件疲勞極限具有重要影響，應(yīng)根據(jù)載荷應(yīng)力比r對材料疲勞極限進(jìn)行修正。

式中：σd為材料修正后疲勞極限強(qiáng)度，MPa；ks為應(yīng)力集中系數(shù)，有限元分析時(shí)取1；kd為尺寸系數(shù)；ku為表面加工系數(shù)；kc為腐蝕系數(shù)；r為載荷應(yīng)力比。

結(jié)合材料S-N曲線(如圖1)，可以得到修正后材料疲勞性能曲線。

圖1 材料S-N曲線

當(dāng)8×103≤nk≤2×106時(shí)：

當(dāng)2×106≤nk≤1×107時(shí)：

其中：

3 實(shí)例分析

以動(dòng)力水龍頭的提環(huán)為例，采用上述分析方法對疲勞壽命進(jìn)行有限元分析。提環(huán)上端與小修設(shè)備吊卡連接，下端通過銷軸與水龍頭箱體相連，承受水龍頭重力、作業(yè)管柱重力及處理井下事故的作業(yè)載荷綜合作用。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，設(shè)定動(dòng)力水龍頭每次使用周期為5 min、每天工作20 h、每年工作150 d、設(shè)計(jì)壽命為20 a，則動(dòng)力水龍頭服役周期的工作總次數(shù)為7.2×105，屬于高周疲勞。

1) 材料力學(xué)性能。提環(huán)材質(zhì)為35CrMoA，其力學(xué)性能如表1。

表1 35CrMoA力學(xué)性能

取應(yīng)力集中系數(shù)ks為1、尺寸系數(shù)kd為1.65、表面加工系數(shù)ku為1.2、腐蝕系數(shù)kc為1、載荷應(yīng)力比r為0，則提環(huán)材料的疲勞壽命曲線如圖2。

圖2 提環(huán)疲勞壽命曲線

2) 網(wǎng)格劃分。采用Solidworks軟件，建立提環(huán)模型，導(dǎo)入ANSYS，根據(jù)提環(huán)受力特點(diǎn)，刪除對計(jì)算結(jié)果影響較小的一些細(xì)節(jié)，簡化模型。網(wǎng)格劃分共包括19 760個(gè)節(jié)點(diǎn)、12 121個(gè)單元，如圖3。

3) 邊界條件。動(dòng)力水龍頭設(shè)計(jì)額定載荷為1 067.6 kN，將動(dòng)力水龍頭在服役過程中承受載荷分為2個(gè)區(qū)段，設(shè)定第1個(gè)載荷區(qū)段889.6 kN，預(yù)期服役工作比例k1為80%；第2個(gè)載荷區(qū)段1 067.6 kN，預(yù)期服役工作比例k2為20%。在模擬分析過程中，忽略自重對分析過程的影響，提環(huán)軸銷孔下半圓承壓表面施加固定約束，提環(huán)上面凸臺(tái)下端面分別施加2個(gè)載荷區(qū)段的向上載荷889.6 kN和1 067.6 kN。

圖3 網(wǎng)格劃分

4) 模擬分析。取疲勞強(qiáng)度降低因子為0.9，對提環(huán)在2個(gè)載荷區(qū)段的疲勞壽命進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4～5。由模擬分析結(jié)果可知，提環(huán)的最大交變應(yīng)力在2個(gè)載荷區(qū)段分別為186.54和223.87 MPa，疲勞壽命值在2個(gè)載荷區(qū)段均大于1×107，考慮疲勞損傷累加后提環(huán)的疲勞壽命大于1×107，大于動(dòng)力水龍頭服役周期工作總次數(shù)7.2×105。因此，提環(huán)疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

a 交變應(yīng)力

b 疲勞壽命

a 交變應(yīng)力

b 疲勞壽命

4 結(jié)論

1) 在考慮動(dòng)力水龍頭實(shí)際工況的基礎(chǔ)上，基于Palmgren-Miner理論，提出一種動(dòng)力水龍頭疲勞有限元分析方法。

2) 依據(jù)FEM 1.001規(guī)范，在考慮應(yīng)力集中、零件尺寸、表面條件、腐蝕狀態(tài)及載荷變化影響的基礎(chǔ)上，確定了材料S-N曲線的計(jì)算和修正方法。

3) 以提環(huán)為研究對象，進(jìn)行疲勞壽命有限元模擬。分析結(jié)果表明，提環(huán)疲勞壽命值大于1×107，高于動(dòng)力水龍頭服役周期循環(huán)總次數(shù)7.2×105，提環(huán)疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。