超深井吊卡有限元分析

陳開宇

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，四川 成都 611231）

0 引言

隨著我國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，深井、超深井的數(shù)量和占比都不斷地攀升。 在超深井下套管過程中， 由于套管尺寸比較大，固封段長(zhǎng)，所以井口的載荷大，對(duì)下套管工器具提出了更高的要求[1]。 吊卡作為下套管所需的最重要的工具之一， 其受力情況直接影響著該項(xiàng)施工的安全。 因此有必要對(duì)吊卡的受力情況進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其使用的安全性，并給予合理化建議。

1 吊卡技術(shù)參數(shù)

吊卡是下套管的時(shí)的專用工具， 目前超深井現(xiàn)場(chǎng)使用的套管吊卡一般是側(cè)開式的， 很少使用牛頭 （對(duì)開式）吊卡[2]。 側(cè)開式套管吊卡幾何形狀如圖1。

套管吊卡有一個(gè)可以打開的活頁， 圖示的活頁左側(cè)有一個(gè)安全鎖[3]。關(guān)閉活頁時(shí)，活頁自動(dòng)鎖緊。吊卡的主要受力部位為吊耳和上部突起的一個(gè)承載臺(tái)階，吊耳是用來連接吊環(huán)用的， 承載臺(tái)階上面坐放著套管的接箍。

例如在克深7 井下大尺寸下套管作業(yè)中， 使用的是由寶石廠所生產(chǎn)的750t 吊卡，使用情況良好，保障了下套管施工的安全性。

圖1 套管吊卡外形

2 吊卡的有限元分析

以克深7 井三開套管使用的750 噸103/4”吊卡為例做有限元分析，長(zhǎng)、寬、高為917mm437mm500mm，內(nèi)徑為247mm，承載臺(tái)階面高7mm。 兩側(cè)吊耳寬130mm，如圖2 所示。

圖2 750 噸103/4”吊卡

克深7 井下套管作業(yè)時(shí)最大的載荷是465.57t，由SY/T 5035-2004,可知，額定載荷≥500t 時(shí)，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為2.25，465.57/2.25=209.62＜額定載荷750t[51-52]。

750t 吊卡在受力465.57t 時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析：

2.1 建模并劃分網(wǎng)格

采用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，吊卡的材料性能參數(shù)如表1 所示：

表1 吊卡的材料性能參數(shù)[4]

對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，受力時(shí)活頁是關(guān)閉的，可以把受力模型建立為一個(gè)整體[5-6]。 采用SOLID186單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格， 設(shè)置材料的彈性模量為210Gpa， 泊松比=0.3。 采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分精度控制為3，共生成52381 單元，10803 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 整體網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

2.2 加載和求解

在受力中兩邊吊耳的力基本上相等， 所以每個(gè)吊環(huán)受力為232.758 噸。由于是承載臺(tái)階面受力，可以對(duì)臺(tái)階面的X、Y、Z 方向上的自由度進(jìn)行約束， 在吊耳和吊環(huán)的接觸面上的節(jié)點(diǎn)施加載荷[6-7]。 求解的結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖3 吊卡的網(wǎng)格劃分

3 吊卡的有限元計(jì)算結(jié)果分析

（1）吊卡的最大塑性變形發(fā)生在吊耳上面。最大塑性應(yīng)變?yōu)?.559。 最大應(yīng)變?nèi)鐖D4 所示。

圖4 應(yīng)變圖

圖5 等效應(yīng)力圖

（2）吊卡有四個(gè)應(yīng)力集中的地方，如圖5 所示。 吊卡的最大應(yīng)力發(fā)生在承載面上靠近吊耳的面上， 與實(shí)際是相符合的， 由于兩端受拉， 這個(gè)地方承受的壓力最大[2]。 最大值為901.2Mpa， 小于材料的許用應(yīng)力1180Mpa。但是，在重復(fù)的使用過程中，這些應(yīng)力集中區(qū)會(huì)產(chǎn)生疲勞與裂紋，因此要定期無損檢測(cè)。

（3）由于吊卡的最大變形發(fā)生在吊耳上面，建議該吊卡在后期優(yōu)化升級(jí)時(shí)可適當(dāng)增大吊耳的尺寸， 或使用強(qiáng)度和剛度更大的材料來替代現(xiàn)有材料。