一種連接器高液壓試驗裝置設計研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

隨著淺油層石油不斷枯竭，石油鉆探和勘探深度越來越深。目前，我國的深海鉆井平臺鉆探深度已達到上萬米，地層壓力超過100Mpa，鉆探設備所需的連接器及其組件的承受液壓能力也在不斷提升，目前石油連接器及組件使用工況不同承壓值一般分為為140Mpa、175MPa和210MPa三個等級。根據(jù)壓力容器的設計指標，壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個等級，其中0.1Mpa～1.6Mpa稱為低壓；1.6Mpa～10Mpa稱為中壓；10Mpa～100Mpa稱為高壓；100Mpa～1000Mpa甚至更高稱為超高壓[1][2]，石油連接器及組件使用環(huán)境等級屬于超高壓范疇。

根據(jù)TSG 21-2016特種設備安全技術規(guī)范1.3適用規(guī)范，高液壓試驗裝置不滿足特種設備，可進行自主加工設計。為了加快深井作業(yè)的高液壓電連接器及組件的研制效率，本文利用三維軟件對高液壓裝置進行結(jié)構(gòu)設計和三維建模。然后，通過仿真軟件對高液壓裝置的設計結(jié)構(gòu)進行仿真驗證，查找裝置的薄弱點，并對工裝進行優(yōu)化；最后，對優(yōu)化后的裝置進行機加工生產(chǎn)，并通過高液壓試驗驗證實物設計的合理性和可靠性。

2 模型建立

為了驗證石油連接器及組件耐高液壓的能力，并降低試驗成本，本文提出了一種耐210MPa液壓的試驗裝置設計方案，高液壓試驗裝置主要包括腔體和擋板結(jié)構(gòu)兩部分。

2.1 高液壓試驗裝置結(jié)構(gòu)設計

電連接器高液壓試驗裝置采用兩體式結(jié)構(gòu)，其中擋板采用凸臺式密封設計，即凸臺外壁設有兩道密封槽，用于安裝密封圈；殼體和擋板外圍設有固定螺栓孔，螺栓穿過固定螺栓孔保證兩體裝置的結(jié)合力，其幾何結(jié)構(gòu)設計模型如圖1所示。

圖1 高液壓試驗裝置結(jié)構(gòu)設計圖

由于擋板和殼體使用螺栓固定，當裝置內(nèi)部液壓達到一定值時，螺栓發(fā)生軸向變形拉伸，使得殼體與擋板發(fā)生軸向小間隙，而擋板凸臺式密封設計可有效解決因螺栓拉伸導致殼體與擋板之間密封性不良的問題。

根據(jù)裝置的實際使用環(huán)境，擋板的安裝與拆卸受到其配合尺寸、體積和質(zhì)量的限制，不易將擋板和腔體分離，或易發(fā)生卡塞、卡死等問題，故在擋板上設計四個均布的拆卸螺紋孔，其位置位于固定螺栓孔中心圓與凸臺外徑連線的中心圓上，如圖2所示。

圖2 液壓裝置擋板設計結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2可知，可使用拆卸螺栓擰過擋板拆卸螺紋孔，通過扭矩扳手加載扭矩使得拆卸螺栓頂住殼體端面，將擋板與殼體進行分離。

2.2 螺栓的強度計算

殼體與擋板通過螺栓實現(xiàn)兩者之間的固定，裝置的承壓能力由螺栓的個數(shù)和單個螺栓的強度決定。由圖1可知，液壓軸向上作用到擋板凸臺端面，凸臺與固定螺紋孔之間構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。結(jié)合裝置的承壓條件，可計算出固定殼體與擋板所需的鎖緊力。

F=P×S

(1)

式中，F(xiàn)-擋板凸臺承受的軸向力；

P-擋板凸臺承受的軸向壓力；

S-擋板凸臺端面面積。

根據(jù)國標GB/T 3098.1-2010和GB/T3098.2-2015對比強度12.9級的不同規(guī)格螺栓和螺母承受力，如表1所示。

表1 不同規(guī)格螺栓對比

根據(jù)試驗液體壓強條件，由公式(1)和(2)可求出所需螺栓的個數(shù)k，

(2)

式中，k-所需螺栓的個數(shù)；

F-擋板承受的壓力，N；

f-單根螺栓或螺母的承受力，N。

本文利用公式(1)和(2)對175MPa和210MPa條件下所需的不同尺寸螺栓個數(shù)k進行計算，如表2所示。

表2 不同試驗條件下所需不同規(guī)格螺栓個數(shù)對比

為了保證裝置在210MPa的安全使用，故采用12根12.9級M20螺栓設計。

2.3 密封結(jié)構(gòu)設計

考慮到高液壓試驗裝置的通用性要求，本文高液壓試驗裝置內(nèi)腔尺寸定為直徑為134mm，長度為241mm。

3 高液壓試驗裝置的仿真分析

本文對裝置的材料進行對比分析，使用靜力學仿真軟件進行仿真驗證，并設置材料的相關參數(shù)。

3.1 材料的選擇

石油類連接器殼體及組件殼體材料一般選擇GH4145、718合金以及17-4PH等，結(jié)合材料成本，高液壓試驗裝置材料從17-4PH不同態(tài)中選擇，其參考標準為ASTM A564，表3為17-4PH鍛造件不同態(tài)下的抗拉屬性。

表3 17-4PH鍛造件的最小抗拉屬性

根據(jù)連接器及組件實驗的高液壓輸入?yún)?shù)，結(jié)合表3可知，H1025態(tài)的17-4PH滿足其性能要求，并結(jié)合不同態(tài)材料的價格。故選取17-4PH H1025態(tài)作為高液壓試驗裝置的加工基材?；牡闹睆酵ㄟ^結(jié)構(gòu)力學仿真進行計算確定。

3.2 高液壓試驗裝置的結(jié)構(gòu)力學仿真

本文采用仿真軟件對高液壓試驗裝置進行結(jié)構(gòu)力學分析，確定裝置的壁厚。由于裝置尺寸過大，將外殼進行1/12等分建模，有效降低仿真分析的計算量[3]。

3.2.1 仿真模型及參數(shù)設置

由于高液壓試驗裝置的長期使用條件為常溫、175MPa，極限使用條件為常溫、210MPa,故對裝置加載210MPa的壓強，對1/12橫截面加載無摩擦約束支撐，固定支撐加載于殼體六方端面。

高液壓試驗裝置形狀不規(guī)則，無法保證網(wǎng)格狀態(tài)一致性，導致存在奇點，而六方體網(wǎng)格劃分能夠降低裝置奇點的存在以及計算機的計算量[4]，故采用六面體主導網(wǎng)格劃分。1/12部件網(wǎng)格劃分效果圖如圖3所示，1/12部件無摩擦支撐效果圖如圖4所示，1/12部件壓力加載效果圖如圖5所示。

圖3 1/12部件網(wǎng)格劃分圖

圖4 1/12部件無摩擦支撐約束圖

圖5 1/12部件壓力加載圖

2.2.2 高液壓試驗裝置仿真分析

裝置的可靠性可通過分析其結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)形變進行衡量[5]，本文對210MPa條件下，裝置的總形變和應力分布進行分析。圖6為1/12部件在210MPa條件下的總形變圖。圖7為1/12部件在210MPa條件下的應力分布圖。

由圖6可知，其總形變量為0.386mm，其殼體總長為400mm，通過計算可知，其形變?yōu)?.965‰，在安全余量范圍內(nèi)。

圖6 1/12部件在210MPa條件下的總形變圖

圖7 1/12部件在210MPa條件下的應力分布圖

由圖7可知，其最大應力分布在內(nèi)腔根部，故在內(nèi)腔根部設計圓弧過度角，降低集中應力分布；殼體1/12部件的均值應力在500MPa左右為 17-4PH H1025態(tài)屈服強度的一半，故工裝處于安全余量范圍內(nèi)。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，210MPa條件下，工裝壁厚為30mm，能夠保證裝置安全用于生產(chǎn)。故選擇直徑為278mm的17-4PH棒材進行車削加工裝置。

4 實驗驗證與分析

根據(jù)實驗室的具體使用情況進行統(tǒng)計分析，現(xiàn)已對51件產(chǎn)品進行試驗，現(xiàn)場裝配如圖8所示，拆卸安裝如圖9、圖10和圖11所示。

圖8 工裝實物圖

由圖8可知，本文設計的工裝能夠在210MPa條件下，保障安全可靠運行。

圖9 拆卸圖

由圖9拆卸螺栓通過拆卸螺紋孔將擋板與殼體分離，有效降低拆卸過程中密封面的磨損。

圖10 殼體及固定工裝圖

圖11 拆卸擋板圖

尺寸(mm)試驗前(mm)試驗后(mm)殼體外徑275±0.05275.02-275.05275.02-275.05密封直徑135.05-135.08135.05-135.08殼體長度337337.1337.1擋板密封直徑135.0-134.95135.0-134.95擋板直徑275±0.05274.95-275.03274.97-275.03

通過測量51次使用后的工裝尺寸，其外工裝的殼體及擋板的外徑長度符合圖紙要求，試驗前后工裝的尺寸無變化，其對比如表4可知。由于裝置尺寸較大，考慮測量誤差，由表4可知，裝置實驗前后尺寸無變化。

5 結(jié)束語

本文采用理論計算、仿真分析和實驗驗證相結(jié)合的方式，驗證了高液壓試驗裝置設計的合理性，能夠滿足210MPa液壓條件下的安全使用。首先，通過理論計算出裝置所需螺栓的強度和個數(shù)及螺栓規(guī)格；其次，根據(jù)工裝的體積、重量，設計出相應的輔助工裝，便于高液壓試驗裝置的安裝、拆卸和固定。最后，通過50余次高液壓實驗，驗證了高液壓試驗裝置的安全性和合理性。