閘閥閥體的三維靜態(tài)有限元分析

         采油樹是井口裝置的重要組件之一，主要由套管閘門、總閘門、生產(chǎn)閘門、清蠟閘門、油管四通或三通及油嘴等部件組成，用以控制和調(diào)節(jié)油井的自噴生產(chǎn)，引導(dǎo)噴出的油氣進(jìn)入輸油管線，保證錄取油壓、套壓、計量油、氣產(chǎn)量、取樣及清蠟等工作[1，2]。工作過程中，井口裝置承受高壓作用，是典型的特種設(shè)備，其每個組成零部件都需有足夠的強度。因此，為了保證井口裝置在運行過程中的安全性和使用壽命，對井口裝置進(jìn)行受力分析，找出應(yīng)力分布規(guī)律和危險部位，對改進(jìn)井口裝置設(shè)計是必要的。

        閘閥是井口裝置的關(guān)鍵部件，90年代中期，由于計算方法的限制，只能根據(jù)工程力學(xué)中的一些經(jīng)驗公式和簡化方法來進(jìn)行估算，這種計算并不能全面反映閥體這樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力情況，也不能給設(shè)計人員指出閥體的薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)措施。90年代后期，隨著計算機(jī)技術(shù)和力學(xué)理論的發(fā)展，有限元法在閥門產(chǎn)品的設(shè)計和分析中發(fā)揮了重要作用[3，4]。筆者以某石油機(jī)械廠生產(chǎn)的井口裝置用閘閥為例，采用有限元法和ANSYS平臺對閥體的強度進(jìn)行了計算，并將計算結(jié)果與簡化計算結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，為采油井口裝置用閥體的設(shè)計和改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

    1 井口裝置用閘閥閥體的理論簡化計算
          閘閥閥體可簡化為等壁厚的厚壁圓筒，其內(nèi)徑為r1、外徑為r2，令r2/r1=k。若筒體軸向很長，且不計筒體端部的影響，筒體的幾何形狀、載荷和支承沿z軸均沒有變化，筒體沿軸線方向的應(yīng)變?yōu)槌?shù)。根據(jù)彈性力學(xué)理論和拉梅公式，可得在均勻內(nèi)壓p的作用下，筒壁上任一點處的徑向應(yīng)力σr、切向應(yīng)力σt和軸向應(yīng)力σz[5]：
         （1）
       其中徑向應(yīng)力σr為壓應(yīng)力，切向應(yīng)力σt為拉應(yīng)力，軸向應(yīng)力σz為拉應(yīng)力。zui大切向應(yīng)力σmax出現(xiàn)在r=r1的內(nèi)壁處，由式（1）可得：
        （2）
        井口裝置閘閥閥體常選用塑性材料制成，故在對閥體進(jìn)行強度計算時，選用第四強度理論進(jìn)行校核。由第四強度理論（形狀改變比能理論）可知閥體材料的等效應(yīng)力σ應(yīng)滿足：
        （3）
    將閘閥閥體的內(nèi)外徑r1、r2，工作內(nèi)壓p代入式（3）計算，得內(nèi)壁處等效應(yīng)力σ=243MPa。
    2 井口裝置用閘閥閥體的有限元分析
    2.1 閥體的設(shè)計參數(shù)
    井口裝置用閘閥閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥門的技術(shù)條件如下：
    材料 ZG35Mo
    彈性模量 205GPa
    屈服極限 560MPa
    強度極限 720MPa
    泊松比 0.29
    工作溫度 0~50e
    額定工作壓力 0~35MPa
    水壓試驗壓力 70MPa

圖1 閘閥閥體結(jié)構(gòu)示意圖

    2.2 閥體模型的簡化和建立
        基于ANSYS平臺對DN52閘閥閥體進(jìn)行了實體建模，建模過程中嚴(yán)格按照圖紙要求進(jìn)行，對不影響應(yīng)力分析的鑄造圓角、小的倒角等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化?？紤]到閥體的結(jié)構(gòu)和載荷均對稱，為節(jié)省計算資源，同時為了將閥體內(nèi)腔暴露出來，便于載荷施加，取閥體的1/2模型進(jìn)行計算。閥體為非規(guī)則的實體，采用10節(jié)點四面體單元，通過Te-tMesh完成對閥體的網(wǎng)格的自動劃分，對可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格的局部細(xì)化，網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

    2.3 邊界條件和載荷
        閥體工作壓力為35MPa，根據(jù)SY/T5127-20025《井口裝置和采油樹規(guī)范》可知，閥體的水壓試驗壓力為70MPa[6，7]。考慮兩種工況：工作時，閥體內(nèi)表面施加載荷為35MPa；水壓試驗時，閥體內(nèi)表面施加載荷為70MPa。
         閥門在工作時，閥體的外表面有較好的保溫材料包裹，可認(rèn)為閥體溫度分布是均勻的，系統(tǒng)的熱應(yīng)力很小，在此不做分析。另外，在模型中沒有考慮螺栓的預(yù)緊力和閥體自重產(chǎn)生的影響。
         由于對稱性，規(guī)定xoy平面上不許有z方向位移。工作狀態(tài)時，閥體的兩端及頂端均與管線連接，而水壓試驗時，閥體的兩端及中端均用盲板封住，并固定在試驗裝置上，故把閥體兩端和頂端看作簡支約束，在對稱面和法蘭各端上施加相應(yīng)的位移約束。施加邊界條件和載荷后的有限元計算模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型