高壓力等級水下防噴器應(yīng)力分析方法探討

祝傳鈺* 陳文科 徐立新 繆 宸 袁 遠

（招商局海洋裝備研究院有限公司）

0 引言

隨著海洋能源開發(fā)逐步向深海發(fā)展，對鉆井設(shè)備的要求也越來越高，水下防噴器及壓力控制系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備壓力等級也逐漸提高了。

因此，設(shè)計條件下的應(yīng)力分析方法也在不斷改變，如在較高的壓力級別下，部分零件的材料已經(jīng)進入塑性狀態(tài)，線彈性分析方法無法準確體現(xiàn)設(shè)備真實的受力狀態(tài)。由于組裝部件的相互作用，應(yīng)力分類法和API 16A 規(guī)范中的等效馮米塞斯等效應(yīng)力在薄壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也有所不同。本文結(jié)合API 6A、API 16A、API6X 以及ASME VIII div.2 等標準，對井口設(shè)備不同壓力等級及承壓部件的分析方法進行了探討。

1 井口設(shè)備的應(yīng)力分析方法

API 16A 是鉆通設(shè)備的標準，其中規(guī)定了井口、防噴器等鉆通設(shè)備的設(shè)計方法，防噴器的受力分析也應(yīng)該以API 16A 規(guī)范規(guī)定為準。

API 16A 規(guī)范對設(shè)備的強度分析沒有給出特別具體的規(guī)定，由于API 在2014 年出版了API 6X《承壓設(shè)備設(shè)計計算》，因此2017 年出版的第4 版API 16A規(guī)范中“承壓部件的設(shè)計計算”部分改動較大，刪除了具體的方案，僅規(guī)定承壓部件的設(shè)計方法必須依據(jù)API 6X 的規(guī)定，并注明馮米塞斯等效應(yīng)力允許使用。

API 6X 規(guī)范中的分析方法主要為兩類：線性分析和非線性分析。線彈分析是基于材料的線性特性，且在工作的過程中材料不會發(fā)生屈服和塑性變形。API 6X 規(guī)范內(nèi)容主要基于ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范第VIII 卷第2 部分，其中還包括了API 標準化委員會作出的對石油和天然氣產(chǎn)品的進一步限制。 其包括用于彈性分析，彈塑性分析和有限元分析方法指導(dǎo)的封閉形式解決方案和方法。

1.1 線性分析方法

線性分析主要采用應(yīng)力分類法計算承壓部件在受力狀態(tài)下的應(yīng)力分量，進行計算和組合。 并且基于設(shè)計應(yīng)力強度的倍數(shù)，根據(jù)使用的材料和應(yīng)力類別，與每類應(yīng)力的使用準則進行比較，判定是否合格。

API 6X 規(guī)范中的方法并不僅限于防噴器，從實際工作的角度來看，采用應(yīng)力分類法時其結(jié)構(gòu)要滿足R/t ≥4（R 為粒，t 為厚度），也就是適用于薄殼部件，當R/t ≤4 時，應(yīng)力分類法會得到較激進的結(jié)果，不能保證設(shè)備安全運行。而形狀較為復(fù)雜、厚度較大的部件內(nèi)部受力情況也更復(fù)雜，應(yīng)力分類法的使用難度較大，且可能產(chǎn)生不確定的結(jié)果，因此推薦采用彈塑性分析方法或極限載荷法進行分析。

1.2 非線性分析方法

（1）極限載荷法

極限分析法通常假設(shè)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是在理想狀態(tài)下獲得的，并且該方法主要基于小量位移分析。其使用的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線具有雙線性特點，當應(yīng)力小于材料的屈服強度時，曲線的斜率等于材料彈性模量；當應(yīng)力大于材料的屈服強度時，斜率接近于零，而零斜率可能導(dǎo)致大多數(shù)有限元計算出現(xiàn)問題。

隨著載荷增加，當材料出現(xiàn)嚴重變形或模型發(fā)散時的載荷即為極限載荷。 根據(jù)最后收斂的有效載荷情況，實際額定載荷能力不應(yīng)超過極限載荷的2/3。

（2）彈塑性分析法

彈塑性分析是一種結(jié)構(gòu)分析方法，通過考慮曲線中的實際材料真實應(yīng)力 - 曲線來計算給定載荷下結(jié)構(gòu)的受力情況。由于考慮了材料的應(yīng)變強化效應(yīng)，這種方法比極限分析方法得到的結(jié)果更準確。材料應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線可以通過實際材料測試數(shù)據(jù)獲得，或者通過使用彈性模量的分析方法近似獲得。

2 高壓力等級水下防噴器應(yīng)力分析方法探討

2.1 彈性分析應(yīng)力分類法的使用條件

高壓力等級的水下防噴器也會存在受外壓的情況。為了考慮最惡劣的情況，假設(shè)其在內(nèi)部沒有壓力的情況下承受外部水壓，且極限設(shè)計水深為3 000 m。根據(jù)有限元分析結(jié)果，設(shè)備該沒有部件發(fā)生屈服狀況，所有材料均處于彈性范圍內(nèi)，因此，海水靜壓的情況可以采用彈性方法進行研究，按API 16A 規(guī)范中的要求，可以采用馮米塞斯等效應(yīng)力進行判斷。

而例如液壓缸這種薄殼圓筒形承壓部件，其形狀和結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)壓力容器較為接近，按照ASME VIII div.2 標準的規(guī)定，只要其內(nèi)外徑之比滿足要求，就可以采用應(yīng)力分類法進行計算。由于液壓缸同時受到螺栓預(yù)緊力等其他載荷的作用，采用馮米塞斯等效應(yīng)力進行分析時，其邊緣容易出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力分類法可以更好地反應(yīng)其受力情況。根據(jù)不同的應(yīng)力類別采用不同的判定準則，得到的結(jié)果才更合理準確。

而其他形狀較為復(fù)雜的非圓筒和非球殼部件，以及內(nèi)外徑之比超過標準允許范圍的設(shè)備，在彈性范圍內(nèi)仍建議采用馮米塞斯等效應(yīng)力準則進行判定。

2.2 非線性分析方法的使用條件

非線性分析的2 種主要方法為極限載荷法和彈塑性方法。極限載荷法假設(shè)構(gòu)件是由理想彈塑性材料制成的。在加載過程中，應(yīng)力高的材料區(qū)域先進入塑性階段，隨著載荷不斷增大，塑性階段的材料區(qū)域不斷增加，當載荷增大到一定程度時，材料結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，甚至失去承載能力，即使載荷不再增加，塑性變形區(qū)域仍在增加，該載荷即為極限載荷。

極限載荷的計算方法一般有3 種：塑性極限定理、試驗法和彈塑性求極限載荷法。塑性極限定理一般用于簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)備，目前工程中應(yīng)用很少，大多用于理論研究；試驗法在工程中比較常用，但是成本很高；彈塑性求極限載荷法是利用有限元進行求取載荷-應(yīng)變曲線，也較為常用。

彈塑性方法計算總體載荷時采用的是實際的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，而不是理想狀態(tài)下的彈塑性材料模型。與彈性分析方法和極限載荷法中的彈塑性方法相比，其計算結(jié)果更貼近實際，對設(shè)備的應(yīng)力和應(yīng)變模擬更加準確。

高壓力等級水下防噴器的承壓部件形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其受力情況也極為復(fù)雜。防噴器目前采用的材料大多是常用材料，其性能參數(shù)可以在制造廠中測得。在高壓力等級防噴器的強度分析過程中，2 種方法都可以使用。

2.3 高壓力等級防噴器部件應(yīng)力分析方法探討

壓力容器大多為薄殼結(jié)構(gòu)，常呈圓筒形或是球形，其應(yīng)力基本上以膜應(yīng)力為主，而防噴器的部件往往是不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)，其部件受力后應(yīng)力分布規(guī)律與其和其他部件的連接方式有很大關(guān)系。采用極限載荷分析的結(jié)果可以保證防噴器承壓部件的使用安全，但是計算得到的位移并不真實；采用彈塑性分析方法得到的結(jié)果更能反映其真實的變形情況。另外防噴器的部件往往是由整鍛件機加工而成，除了要保證防噴器在各種工作狀態(tài)下安全運行外，優(yōu)化減重也是設(shè)計時的重點考慮方向，彈塑性分析法可以準確預(yù)測設(shè)備的變形和應(yīng)力情況，可為構(gòu)件的設(shè)計方案提供參考。

3 結(jié)論

本文對高壓力等級防噴器的應(yīng)力分析方法進行了介紹，并結(jié)合實際設(shè)計經(jīng)驗，分析了各種方法在防噴器不同設(shè)計工況下的適用性。建議在靜水外壓工況下，材料沒達到屈服點之前采用彈性分析，并采用馮米塞斯等效應(yīng)力進行判定。薄殼部件的材料沒達到屈服點之前，建議采用應(yīng)力分類法分析，在設(shè)計條件下材料已經(jīng)進入屈服階段，則建議采用非線性分析方法，優(yōu)先選擇彈塑性方法分析整體強度，有利于對設(shè)計方案進行優(yōu)化。