深水實驗缸旋轉支撐機構設計及安全性分析

李建超,房 軍,高德利

(中國石油大學石油工程教育部重點實驗室,北京102249) *

深水實驗缸旋轉支撐機構設計及安全性分析

李建超,房 軍,高德利

(中國石油大學石油工程教育部重點實驗室,北京102249)*

深水管柱力學實驗系統是為研究深水管柱力學行為而研制的特殊裝置,其中的旋轉支撐機構是深水管柱力學實驗缸的旋轉定位裝置,對整個實驗系統的安全運行和實驗的順利進行都有重要作用。介紹了旋轉支撐機構的設計,使用有限元對旋轉支撐機構進行了應力和變形分析,結果表明,旋轉支撐機構結構安全可靠,完全可以滿足實驗設備的支撐和旋轉需要。

深水;實驗;旋轉支撐;有限元;安全性

目前,海上油氣資源的開發正逐步從淺海地區轉向深海地區,深水鉆井面臨的特殊海況條件和困難對鉆井技術提出了更高的要求,需要具有更高技術含量的鉆井裝備與鉆井技術[1-2]。日益增加的水深對深水管柱,尤其是隔水管柱也提出了更高的要求,因而,對深水管柱的研究就顯得越來越重要,由此提出研究3 000 m深水鉆采管柱力學行為的特殊實驗設備,即,深水管柱力學與控制模擬實驗系統,該實驗系統的核心設備為高壓實驗缸,以此模擬深水壓力。由于海洋海流力和波浪力的作用,深水管柱會受到橫向載荷的作用,從而產生一定的偏移,深水管柱在從海面到海底的各個深度具有不同的傾斜角度,所以要模擬深水環境某一深度處的一段管柱的力學行為,就必須考慮能夠模擬管柱處于任一角度的水下力學實驗。這需要實驗缸缸體能旋轉到任意角度,為此設計了旋轉支撐機構,以期既能支撐住實驗缸,又能實現實驗缸的旋轉。

1 結構設計

1.1 實驗缸簡述

深水管柱力學實驗缸是深水實驗系統的核心部件,其整體結構如圖1所示。缸體內徑為?1 200 mm,長度為8 000 mm,實驗介質為水。該實驗系統是為研究3 000 m深水鉆采管柱力學行為而設計,故額定壓力設定為30 MPa。實驗缸的兩端端蓋要方便打開,既可實現缸體內實驗樣品的拆裝更換,又可進行端部加載缸的更換。

1.2 旋轉支撐機構設計

旋轉支撐機構是針對高壓實驗缸的旋轉功能而設計的,考慮到實驗缸內部承受高壓,所以不采用在實驗缸缸體上直接鉆孔焊接旋轉軸的方法,而是設計了旋轉支撐機構,將其固定在實驗缸上。這樣在旋轉支撐機構有損壞的情況下更換也更加方便。

圖1 深水高壓實驗缸

在深水高壓實驗中,旋轉支撐機構對實驗的順利進行及實驗人員的人身安全都有重要的作用。針對實驗缸要實現的功能及安全性需要提出了旋轉支撐機構的設計方案,先分別設計制造兩端的耳軸和套筒,然后將二者焊接起來。

旋轉支撐機構的耳軸材料選用35CrMo,材料抗拉強度980 MPa,屈服強度835 MPa,鍛造而成,耳軸支撐部位外徑?300 mm,內徑?240 mm,用于安裝擺動油缸以驅動實驗缸旋轉。卡箍材料選用Q235,抗拉強度為375～500 MPa,屈服強度>215 MPa,采用鋼板卷制焊接而成,卡箍內徑?1 564 mm,外徑?1 664 mm,寬800 mm,總長2 464 mm。卡箍內徑大于實驗缸兩端的外徑,安裝時直接將卡箍套在實驗缸上,卡箍兩端由楔塊卡在實驗缸上,使用螺栓連接,以防止處于豎直狀態時實驗缸下滑。因為卡箍需用楔塊固定在實驗缸上,故卡箍筒內壁上需要作出3°的斜坡。旋轉支撐機構的整體結構如圖2所示。

圖2 旋轉支撐機構結構示意

2 力學分析

在工作中,深水缸缸體懸空,主要由旋轉支撐機構承受力的作用,受力主要為實驗缸、實驗試件及缸內液體的重力作用。其中,卡箍的脆弱部位為兩端旋轉耳軸的直徑較小的臺階處及卡箍圓筒的下半圓面。

在工作中實驗缸或靜止或慢速的勻速旋轉,在進行受力分析過程中,先不考慮卡箍的影響,可認為旋轉支撐機構只受靜載作用,則可將深水缸旋轉支撐機構簡化為兩端鉸支的變截面簡支梁,其所受的重力作用可簡化為作用于梁中間位置的集中力Q,其受力示意圖如圖3所示。

在圓形梁截面上,最大切應力出現在中性軸上,切應力可表示為[4]

式中,τmax為梁上的最大切應力,MPa;Q為作用在梁上的集中力,N;R為圓形梁的半徑,m。

限定最大彎曲正應力不得超過許用應力,則有強度條件為

式中,σmax為最大正應力,MPa;W為抗彎截面系數, m3;Mmax為梁上的最大彎矩,N·m。

W與截面的幾何形狀有關,對于截面是直徑為d的圓形,則有

圖3 卡箍受力示意

3 有限元分析

3.1 基本假設

簡化對力學特性無較大影響的部位;實驗缸工作過程中會進行低速的勻速轉動,對卡箍受力沒有影響,在分析中可視為靜止狀態;實驗缸的載荷與支撐條件符合力學平衡條件。

3.2 模型建立

卡箍受力主要是由實驗缸及其中注入的液體的總重力引起的,以實驗缸在實驗中的總質量100 t為準,使用SolidWorks軟件對卡箍及簡化的實驗缸各自建立實體模型,再進行裝配,保存成 Parasolid格式文件導入到Ansys中。總體模型如圖4所示。

圖4 實驗缸模型

3.3 網格劃分

在Ansys中使用的材料參數如下:彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,材料密度取7 850 kg/m3。在劃分網格過程中,對整體分析影響較小的實驗缸模型進行簡單劃分,而對旋轉支撐機構要進行較密的四面體網格劃分。網格劃分如圖5所示。

圖5 實驗缸模型單元網格劃分

3.4 施加約束及載荷計算

實驗缸在實驗過程中只有2段耳軸作為支撐,故在耳軸上施加約束。實驗缸在轉動過程中自身重力分解到垂直于實驗缸軸向與徑向兩個方向,其中軸向的力由楔塊分擔,則此時卡箍所受力小于實驗缸水平放置狀態所受力大小,故只分析實驗缸水平狀態時卡箍所受載荷。在Ansys中按照實驗缸只受重力的情況對卡箍進行分析,定義重力加速度為y方向,設置重力加速度值為 9.8 m/s2,運算求解[5]。

3.5 結果分析

卡箍應變云圖如圖6所示,應變主要發生在卡箍懸空部位、耳軸上及耳軸與卡箍筒接觸部位附近,并于耳軸臺階處達到最大應變,其值為115μ ε。

卡箍應力云圖如圖7所示,旋轉支撐機構的卡箍筒與楔塊邊緣接觸處會出現一定的應力集中,但是所受應力不大;支撐軸和卡箍兩端的卡箍筒與耳軸連接處周圍是主要的應力集中區域,且越靠近耳軸的地方應力越大,最大應力值約23.7 MPa,出現在直徑?300 mm的支撐軸臺階處,遠小于材料的屈服極限,所以旋轉支撐機構是安全的。

圖7 實驗缸卡箍的Von Mises等效應力云圖

4 結論

1) 有限元分析結果表明,深水管柱力學實驗缸旋轉支撐機構最危險處所受的應力遠低于材料的屈服極限,可以判定該卡箍具有安全可靠性。

2) 實驗缸組裝完成后,順利進行了吊裝,并向實驗缸內注入水,表明旋轉支撐機構可以承受實驗缸的重力。吊裝后使用擺動油缸推動卡箍,使實驗缸在水平與豎直方向之間可以安全轉動,表明該卡箍能夠滿足深水管柱力學實驗的要求。

3) 在旋轉支撐機構兩端耳軸與卡箍筒的連接處焊接加強筋,可以保證實驗缸長期使用。

[1] 侯福祥,王 輝,任榮權,等.海洋深水鉆井關鍵技術及設備[J].石油礦場機械,2009,38(12):1-4.

[2] 蘭洪波,張玉霖,菅志軍,等.深水鉆井隔水管的應用及發展趨勢[J].石油礦場機械,2008,37(3):96-98.

[3] 成大先.機械設計手冊[K].4版.北京:化學工業出版社,2002.

[4] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5] 趙海峰,蔣 迪.ANSYS8.0工程結構實例分析[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

Design and Security Analysis of the Rotary Support Mechanism of Deepwater Experiment Device

LI Jian-chao,FANGJun,GAO De-li
(MOE Key L aboratory ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

Deepwater tubular mechanical experiment system is a special device developed for studying the mechanical behavior of the deepwater tubular.As the slewing device of the deepwater tubular mechanical experiment device,the rotary support mechanism plays an important role in the safe operation of the experimental system and the smooth conduct of the experiment.This paper introduced the design of the rotary support mechanism.At the same time,it analyzed stress and deformation of the rotating shaft hoop.The result showed that the structure is reliable and it could completely satisfy experimental equipment support and rotation needs.This simple and economical design can provide a reference for the future development of similar products.

deepwater;experiment;rotary support;finite element;security

1001-3482(2011)05-0014-04

TE951

A

2010-11-08

國家科技重大專項子課題“深水鉆井工程設計關鍵技術研究”(2008ZX05026-001-01)資助

李建超(1985-),男,河北隆堯人,碩士研究生,研究方向為油氣井管柱力學與控制工程,E-mail:ljch2010_happy@163.com。