基于金屬損失的閘板防噴器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真研究

俞嘉敏 陳文斌 趙琪月 徐貴凱 郭萌夢

（1、川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢618300 2、四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司，四川 廣漢618300）

1 概述

閘板防噴器是油氣資源開發(fā)過程中平衡控制地層壓力、防止井噴事故關(guān)鍵設(shè)備之一。殼體是閘板防噴器的主要承壓部件，但閘板防噴器的殼體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸變化較多，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[1]。當(dāng)殼體含有初始缺陷時：在高壓沖擊載荷作用下，防噴器殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會明顯降低，缺陷附近及某些結(jié)構(gòu)尺寸變化處會出現(xiàn)較為嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象；且快速關(guān)井時產(chǎn)生的高壓沖擊波在衰減過程中，仍會對閘板防噴器的殼體進(jìn)行反復(fù)沖擊，使其出現(xiàn)疲勞缺陷，甚至出現(xiàn)脆性斷裂，使防噴器的疲勞使用壽命大幅度降低[2]。因此對含有初始缺陷的閘板放噴殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞壽命分析具有積極意義。

國內(nèi)外的研究人員對閘板防噴器的殼體受力情況進(jìn)行了大量研究：袁建華[3]對防噴器殼體裂紋缺陷進(jìn)行了研究，通過有限元分析的方法確定了熱裂、冷裂、應(yīng)力腐蝕破裂及機(jī)械疲勞斷裂四種缺陷類型，并進(jìn)行了缺陷權(quán)重計(jì)算；張川[4]對無側(cè)門螺栓閘板防噴器殼體進(jìn)行了有限元分析后發(fā)現(xiàn)，無側(cè)門螺栓時閘板腔應(yīng)力分布較為均勻；張士超等[5]采用了XFEM 的方法針對水下防噴器裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了模擬，總結(jié)出裂紋擴(kuò)展的規(guī)律；吳奇兵等[6]根據(jù)材料S-N 曲線，應(yīng)用Pair 公式對水下防噴器的疲勞壽命進(jìn)行了分析。因此，防噴器的使用壽命以及承載能力對防噴器的安全性評價起到重要作用。

綜上所述，對閘板防噴器殼體應(yīng)力分布的規(guī)律的研究已經(jīng)較為成熟，但對含缺陷閘板防噴器的殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析較少。因此，作者結(jié)合前人的研究基礎(chǔ)，在額定工況及靜水壓工況下對含缺陷閘板防噴器進(jìn)行有限元分析，研究其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命。

2 基于金屬損失的閘板防噴器有限元模型

防噴器工作原理及特性導(dǎo)致其工作過程中容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，腐蝕現(xiàn)象大部分為腐蝕坑，在2FZ35-70 雙閘板防噴器通徑孔壁上預(yù)制不同規(guī)格的腐蝕坑，腐蝕缺陷用半球形結(jié)構(gòu)模擬，并根據(jù)防噴器的安裝要求對其上下兩個安裝面進(jìn)行三個平動自由度的約束，腐蝕坑位置及殼體的壓力和約束如圖1 所示。為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析，因此對閘板防噴器各個零部件進(jìn)行網(wǎng)格離散工作，本計(jì)算采用ABAQUS 有限元分析，其單元類型為C3D10M。

圖1 閘板防噴器殼體預(yù)制腐蝕坑位置及有限元模型

3 基于金屬損失的閘板防噴器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果

3.1 含缺陷閘板防噴器應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖2 為防噴器液壓腔在帶有腐蝕坑的情況下所施加壓力為70MPa 和105MPa 并根據(jù)此工作壓力和邊界條件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)腐蝕坑直徑在20mm 以內(nèi)，球形缺陷應(yīng)力主要是應(yīng)力集中效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)直徑大于20mm 以后，由于缺陷增大導(dǎo)致殼體結(jié)構(gòu)局部剛度發(fā)生變化。隨著腐蝕坑直徑的增加，應(yīng)力集中的程度降低，防噴器殼體在井內(nèi)流體腐蝕液中的腐蝕疲勞起源于試樣表面的點(diǎn)蝕坑，在應(yīng)力作用下，點(diǎn)蝕坑由于應(yīng)力集中，萌生出裂紋，裂紋在應(yīng)力和腐蝕性液體的共同作用下不斷加深、增多，直至斷裂。

3.2 含缺陷閘板防噴器疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

當(dāng)引入缺陷腐蝕坑以后，缺陷處的所有應(yīng)力在正常工作狀態(tài)下均超過材料的屈服強(qiáng)度，因此帶有缺陷的結(jié)構(gòu)需要計(jì)算疲勞壽命，不同壓力條件下缺陷閘板防噴器殼體疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。從圖4（a）中可以看出，在相同工況條件下，隨著腐蝕坑直徑的增大，防噴器殼體的疲勞壽命先下降后升高，在直徑5mm 至直徑20mm 處下降最為明顯，其中在直徑20mm 處疲勞壽命最低，20mm 是應(yīng)力集中與局部剛度的轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)，隨后疲勞壽命又增大，由此可見，當(dāng)腐蝕坑直徑達(dá)到20mm 時需進(jìn)行維修，否則將會影響防噴器的安全使用。所以在防噴器實(shí)際的使用過程中，應(yīng)注意盡量降低應(yīng)力集中的程度。從圖4（b）中可以看出，在相同工況條件下，隨著腐蝕坑直徑的增大，防噴器殼體的疲勞壽命先直線下降，短期內(nèi)會發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，尤其是腐蝕坑直徑大于10mm 時，殼體疲勞壽命不足以保障防噴器的安全使用。

圖2 帶缺陷閘板防噴器殼體腐蝕坑應(yīng)力結(jié)果

圖3 帶缺陷閘板防噴器殼體疲勞壽命結(jié)果

圖4 帶缺陷閘板防噴器殼體疲勞壽命和腐蝕坑直徑的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)液壓油腔均為70MPa 壓力時，殼體缺陷處應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，需要進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算；當(dāng)缺陷直徑在20mm時，壽命最低，因此防噴器正常工作時，為了確保結(jié)構(gòu)可靠，缺陷直徑在20mm 以內(nèi)可以暫不修復(fù)，如果缺陷直徑超過20mm，則必須修復(fù)，否者會造成殼體產(chǎn)生疲勞裂紋，給防噴器的安全使用造成隱患。

4.2 當(dāng)液壓油腔均為105MPa 壓力時，此時壓力較高，一旦出現(xiàn)缺陷，則在此載荷作用下，殼體的疲勞壽命將會隨著腐蝕坑直徑的增加而大幅度下降，短期內(nèi)會發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，因此在壓力105MPa 時，不允許出現(xiàn)缺陷，一旦出現(xiàn)后，必須進(jìn)行修復(fù)。