浮動緩沖短節的疲勞及穩定性分析

梁順安，程國鋒，李洪波，郭冬，郭乾坤，向明余

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000；2.川慶鉆探長慶石油工程監督公司，西安 710000）

0 引言

在實際工程應用中，因結構疲勞或屈曲失穩而導致產品在其有效壽命期內失效的現象時有出現，常會引發惡性事故，給企業帶來非常嚴重的損失。因此已有越來越多的企業在重視產品結構的疲勞及穩定性問題。

1 浮動緩沖短節結構及作用

在工程應用中中，浮動緩沖短節（以下簡稱短節，如圖1 所示）常用于連接鉆井動力單元和鉆桿等鉆井單元，如圖2（a），其主要功能有：1）在鉆井作業時向鉆柱頂部提供旋轉動力；2）緩沖上、卸扣時鉆桿對水龍頭連接端的沖擊，保護水龍頭連接端的螺紋扣；3）為泥漿循環提供泥漿通道。

圖1 浮動緩沖短節結構簡圖

圖2 浮動緩沖短節的工程應用

從圖2（b）可看出，短節上端接水龍頭，下端接鉆桿，屬于主要受力部件。如果短節的疲勞及穩定性不能滿足要求，就存在著鉆具墜落或高壓泥漿泄漏等安全隱患，對鉆機及施工人員的安全有著很大的威脅。因此，對短節的疲勞及穩定性進行分析很有必要。

2 疲勞分析

在產品設計階段采用ANSYS 軟件，在物理樣機制造之前進行疲勞分析，預測產品的壽命，可極大降低制造物理樣機和進行試驗所帶來的巨額費用。

2.1 材料及力學性能指標

表1 短節主承載件及其材料力學性能

2.2 有限元模型

將短節在裝配體狀態下進行分析，有限元模型如圖3 所示。裝配體各螺栓連接部件之間采用Bonded；其他相互有接觸的零組件之間采用Frictional。網格劃分采用四面體網格，網格大小20 mm。

圖3 短節有限元模型、約束與載荷

2.3 約束及載荷

約束：固定上接頭內錐螺紋所有自由度；載荷：在活動接頭螺紋面施加當量載荷365 kN，如圖3 所示。

2.4 分析計算

2.4.1 計算依據

根據文獻［1］中對鉆機服役期中的應力循環總數N∑及當量載荷系數的推導計算，得出ZJ15 級別鉆機在疲勞計算中的循環次數及當量載荷數值分別為：短節預期最小循環次數為是N0＝2.8E5，當量載荷為F0＝365 kN。

疲勞強度分析計算所用材料S-N 曲線數據按照《ASME鍋爐及壓力容器規范Ⅷ（2010 版）》第三冊中表KD-320.1M 列值分別選取，如表2、表3 和圖4、圖5 所示。

表2 外套、下蓋疲勞壽命計算S-N 曲線的表列值

表3 上接頭、沖管、活動接頭疲勞壽命計算S-N 曲線的表列值

圖4 外套、下蓋S-N 曲線

圖5 上接頭、沖管、活動接頭S-N 曲線

2.4.2 分析結果

各主要零件的應力云圖及疲勞壽命圖分別如圖6～圖9 等所示。

圖6 上接頭Von-Mises 應力圖

圖7 上接頭疲勞循環壽命圖

圖8 沖管Von-Mises 應力圖

圖9 沖管疲勞循環壽命圖

2.5 結論

得出分析結果如表4 所示。

表4 短節各主承載件最小疲勞循環次數

由上述分析可知，短節各部件的最小疲勞循環次數：Nmin＝4.3E5＞Nf＝2.8E5，即各部件的計算壽命都滿足預期要求，所以短節主承載件上接頭、沖管、外套等零部件的疲勞壽命滿足設計要求。

3 穩定性分析

對短節進行線性屈曲分析即Linear Buckling 分析來獲得其疲勞壽命、失穩系數等穩定性參數。這里將分析模型簡化后，近似認為短節的失穩屬線性問題。

進行線性屈曲分析的目的是尋找分叉點，對于線性結構，其方程是：（［K］+λ［S］）｛ψ｝＝0。式中：［S］是應力剛度矩陣；λ 是常數；ψ 是屈曲模態形狀系數。式中，屈曲載荷乘上λ 就是將其乘到施加的載荷上，就可得到屈曲的臨界載荷。因此，分析的關鍵是獲得特征值λ。

3.1 有限元模型

有限元模型如圖10 所示。網格劃分采用四面體網格，網格大小25 mm。

3.2 約束及載荷

圖10 短節有限元模型、約束及加載

約束：約束上接頭螺紋處的自由度，設為固定；

載荷：對短節的活動接頭螺紋處施加F＝900 kN 的拉力，T＝15 000 N·m 的扭矩，短節內環形腔壁施加P＝35 MPa的泥漿壓力。見圖10 所示。

3.3 穩定性分析結果

對短節進行靜力學與線形屈曲的耦合分析，得出短節的6階失穩安全系數如表5 所示。

前2階失穩形態如圖11～圖12 所示，其余略。

表5 前6階失穩安全系數

圖11 短節一階失穩形態圖

3.4 結論

對短節整體進行穩定性分析的結果表明，短節的最低階（一階) 失穩安全系數為λ1=12.9，大于短節的許用安全系數3（注：穩定性安全系數應不小于強度安全系數），其余各階安全系數更高。因此短節穩定性滿足要求。

圖12 短節二階失穩形態圖

4 結語

在工程應用中，因結構疲勞或屈曲失穩而導致產品失效將帶來非常嚴重的損失；早期的分析計算中，也發現有些零部件不滿足疲勞及穩定性判定要求，因此非常有必要對鉆機重要設備進行相關分析。

本文應用ANSYS 對調整后的短節進行疲勞及穩定性分析：1）得出了合適的短節各主要零部件的疲勞壽命系數及失穩系數等重要參數，為短節疲勞及穩定性提供了必要的判定依據；2）極大地降低了制造物理樣機和進行耐久試驗所帶來的巨額費用；3）彌補了手工計算的缺陷，為設計者提供了一種新的計算思路。

［1］陳如恒，沈家駿.鉆井機械的設計計算［M］.北京：石油工業出版社，1995.

［2］李兵，何正嘉，陳雪峰.ABSYS Workbench 設計、仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［3］蘇一凡，徐宏偉，徐黔斌，等.基于ANSYS 的海洋修井機井架強度分析［J］.石油天然氣學報，2008，30（2）：607-609.