XFF52-25型采油閘閥閥體應力分析

邱福壽

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000）

XFF52-25型采油閘閥閥體應力分析

邱福壽

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000）

采油閘閥作為井口裝置的主要承壓部件，其性能直接關系到井口裝置的安全。由于閥體的結構復雜且幾何形狀不連續，采用常規的力學分析方法進行強度校核時誤差大。應用Pro／E三維軟件對閘閥閥體建模，進行載荷分析和應力、應變計算，分析了XFF52-25型閘閥閥體的受力情況。為同類產品的設計和改進提供依據。

采油井口裝置；閥體；應力

采油閘閥作為采油井口裝置的關鍵承壓及控壓部件，主要承壓件有閥蓋和閥體。閥蓋由于結構規則，受力連續，應力分布比較均勻，用常規的數學方法就可以對其承壓能力進行計算。閥體結構是由多種幾何體經過平滑過渡構成的，形狀較為復雜，由于多種幾何體的過渡造成載荷的不均勻和不連續，常規的強度校核計算已不能夠完全和詳細描述閥體的應力、應變分布情況［1］。以前的閥門設計經常要進行爆破試驗來驗證本體的承壓性能及應力分布，不僅費用大，而且延長了產品的試制周期。隨著計算機和有限元技術的發展，計算機三維應力計算分析已經逐步代替爆破試驗。從實踐上看，用計算機三維應力應變的計算分析不僅速度快，效率高，而且還為結構的優化提供了依據，有助于提高設計水平和產品質量。根據《井口裝置和采油樹》［2］設計標準規范的設計要求，Von Mises法則的變形能理論方法可用于承壓裝置的設計計算。

1 建立分析模型

閥體結構和受力狀況復雜，無法采用傳統計算方法進行精確分析和計算。Pro／E是美國PTC開發的軟件，可以完全實現幾何建模和有限元分析的集成，是最為廣泛、先進、具有多種功能的高智能軟件，將設計和分析結合起來，從而實現智能設計。本設計計算采用Pro／E有限元法通過分析計算，并不斷進行優化設計、修改，以獲的最優的設計方案。

1.1 實體模型

利用Pro／E軟件的拉伸、旋轉和拔模等方法，對XFF52-25型閘閥閥體進行三維實體幾何建模，并且可以直接實現Pro／E分析軟件的調用，如圖1。完成三維實體建立后，還要根據閥體所設計的力學性能指定材料的物理屬性，載荷單位等。

圖1 XFF52-25型采油閘閥的閥體模型

1.2 材料

閥體材料選用ZG（J）35Cr Mo，力學性能符合ISO 10423標準中60K材料的要求（如表1），工作溫度為－29～121℃。

表1 60K材料力學性能

2 載荷

2.1 約束條件

考慮現場實際約束條件以及實體的對稱性，取實體的1／4作為模擬試驗對象，在xoz平面施加y和z方向約束，在端面法蘭鋼圈槽處施加z方向約束，在閥體大扣處施加x和z方向的約束。

2.2 載荷施加

采用XFF52-25型閘閥閥體作為分析對象，主要承受的載荷有：壓力載荷、螺栓載荷、墊環載荷、第3頭大扣處拉伸載荷；額定工作壓力p＝25 MPa。

端部連接的外部軸向載荷詳見各端部的應力分析邊界條件，壓力載荷為介質接觸表面的均布載荷，螺栓載荷為沿分度圓螺栓孔上的均布載荷［3-4］。

內部施加25 MPa壓力，法蘭螺栓孔部位螺栓拉力，鋼圈槽處鋼圈對閥體的壓力，大扣處的拉力，密封墊處比壓，以上具體數據見閥體及法蘭應力邊界分析條件計算［5］。

由閥門設計計算手冊知，鋼圈在操作狀態下需要的最小壓緊力Fp為：

最小螺栓載荷按式（2）計算：

式中：Dg為鋼圈壓緊力作用中徑；b為鋼圈有效密封面寬度，b＝3N／8，N為密封環寬度，N取10；m為墊片系數，取m＝5.5；p為設計壓力。

對于閥體第3頭大扣處的拉力，分析得知其要保證銅墊片最小密封比壓，可按式（3）計算：

式中：Dg1為銅墊片壓緊力作用中徑；b1為銅墊片有效密封面寬度，b1＝3N／8，N1為密封環寬度，N1取6.75；m1為墊片系數，取m1＝4.75；p為設計壓力。

具體約束和載荷如圖2。

圖2 閥體約束及加載

3 應力分析結果

由于本例屬于靜態結構分析，為了使分析結果更加客觀，真實地反映實際工況，采用多通道自適應方式進行計算，計算結果如圖3。在25 MPa設計壓力下，閥體最大薄膜應力為SE＝270.6 MPa。依據ISO 10423《井口裝置和采油樹》中4.3.3.3的變形能理論判定準則SE≤SY，判斷其強度是安全的。

圖3 閥體應力分布

4 結論

1） 采用Pro／E軟件建立XFF52-25型采油閘閥閥體的力學模型，分析其應力分布。最大薄膜應力滿足ISO 10423《井口裝置和采油樹》標準規范中變形能理論的要求。

2） 該方法能夠準確地分析計算閥體不同位置的應力、應變。可代替傳統的爆破試驗，大幅縮短設計、試驗周期。

3） 采油閘閥閥體的結構復雜，通過Pro／E軟件可以方便地比較不同的結構形式和尺寸的受力情況，為優化設計提供了簡捷、高效的手段。

［1］ 范欽珊.壓力容器的應力分析與強度設計［M］.北京：原子能出版社，1979：10-15.

［2］ ISO10423，井口裝置和采油樹［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［3］ 蘭州石油機械研究所.《國內外高壓采油井口裝置》資料匯編［G］.1986：101-105.

［4］ 洪勉成陸培文，高鳳琴，等.閥門設計計算手冊［M］.北京：中國標準出版社，1994：25-47.

［5］ 鐘小敏戚新海，汪建華，等.井口裝置承壓本體有限元計算與討論［J］.石油礦場機械，1994，23（4）：37-39.

Stress Analysis of Valve Body Used in XFF52-25 Oil Gate Valve

Oil gate valve as the main pressure parts of wellhead equipment，its performance is directly related to the safety of the wellhead device.Because of the complex structure and geometry discontinuity，the mechanical analysis method has large error strength verification.Application of Pro／E software for three-dimensional gate valve body modeling，analysis and stress calculation of load，strain，stress of the XFF52-25 type gate valve is analyzed to provide basis for improving design and similar products.

oil producing wellhead；valve body；stress

TE931.102

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.015

1001-3482（2014）10-0068-03

2014-03-15

邱福壽（1981-），男，甘肅武威人，工程師，2004年畢業于西安石油大學機械設計制造及自動化專業，現從事采油井口裝置的設計工作，E-mail：zgskfs_gfs＠petrochina.com.cn。