水下采油樹裝配預緊力程序化設計及有限元分析

邱　盼，周　禮，郭中云，蘇立國，段夢蘭，張　杰

水下采油樹裝配預緊力程序化設計及有限元分析

邱盼，周禮，郭中云，蘇立國，段夢蘭，張杰

（中國石油大學（北京），北京102249）①

分析了水下采油樹裝配預緊力計算方法，計算出了1 500 m水深69 MPa（100 00 psi）工作壓力下水下采油樹的生產閥塊裝配預緊力為494 645～559 360 N。開發了基于C語言的采油樹裝配預緊力計算軟件，通過ANSYS軟件對加載計算所得預緊力下的零部件進行強度校核。結果表明：計算所得預緊力符合采油樹裝配規范要求，驗證了所開發計算軟件的正確性。

采油樹；預緊力；計算程序；有限元分析

水下采油樹是水下生產系統的重要組成部分，在深水油氣開采中發揮著重要作用，深水環境工作要求部件能夠在高壓條件下穩定工作，因此保證采油樹的安全與可靠十分必要［1］。但是采油樹零部件眾多，而大部分零部件都是以螺紋連接方式裝配在一起的［2］（如圖1），并且裝配工藝要求精確，裝配質量要求嚴格，所以采油樹裝配過程中需要嚴格控制螺紋連接預緊力以確保連接壽命和密封要求。

本文針對1 500 m水深69 MPa（100 00 psi）工作壓力下水下采油樹的生產閥塊裝配預緊力，計算得出了水下采油樹裝配預緊力取值范圍，基于C語言開發出了水下采油樹裝配預緊力程序化計算程序，同時利用Ansys軟件對計算所得結果進行強度校核。

圖1　水下采油樹結構組成

1　水下采油樹裝配預緊力分析

采油樹裝配過程是將眾多零部件通過螺栓連接在樹體相應部位的過程，每個零部件與樹體的裝配連接可以簡化成如圖2所示的模型。樹體簡化為1個固定的主體，零部件通過數量不等的螺栓連接在樹體相應位置。在正常工作過程中，零部件整體受到自身重力和油氣等流體壓力作用，螺栓連接確保裝配穩定、達到強度要求，同時在重力、油氣壓力等聯合載荷作用下嚴格密封。

圖2　生產閥塊與樹體連接模型

1.1受力分析

采油樹裝配工藝過程力學模型把樹體看作1個固定的部分，其余零部件通過螺栓連接在固定的樹體上，所以零部件受到螺栓預緊力F0的作用；同時，樹體與零部件之間形成1個油氣通道，在油氣開采過程中，受到油氣壓力作用，因此零部件受到油流通道方向的工作壓力F的作用。采油樹零部件結構尺寸比較大，所以需要考慮垂直方向的重力G的作用。

1.2裝配預緊力分析

裝配時零部件受到裝配預緊力和重力的作用，當正常工作時，增加了油氣壓力載荷，迫使預緊力減小，總受力為殘余預緊力、重力和工作載荷聯合作用，此時應滿足以下計算要求：

1）零部件與樹體螺栓連接為非鉸制孔連接，所以零部件自身重力需要在殘余預緊力作用下連接面間的摩擦力來克服，需滿足［2-3］

式中：λ為結合面的摩擦因數；Z為螺栓數目；F0為螺栓預緊力為與螺栓相對剛度有關的系數；F為流體對連接件壓力；Ks為防滑系數；G為滑塊重力。

2）采油樹內部通道有高溫高壓油氣存在，所以零部件與樹體連接面有確保嚴格的密封要求，裝配預緊力需要滿足［3-4］

式中：F1為螺栓殘余預緊力。

3）總受力過大可能會造成螺栓疲勞、失效等破壞，因此需要確保總受力不會對螺栓強度產生破壞影響，校核公式［2-3］為

式中：δs為螺栓材料的屈服極限；d為螺栓公稱直徑；F1為螺栓殘余預緊力；F為流體對連接件壓力。

4）螺栓與螺母為螺紋連接，因此在總受力狀態下需要確保螺紋強度，確保螺紋不發生剪切和擠壓破壞，校核公式［3-4］為

式中：［τ］為連接件材料的許用切應力；［σb］為連接件材料的許用彎曲應力；b為螺紋牙根部的厚度，取0．75倍螺距；u為連接接觸螺紋圈數；l為彎曲力臂，取0．5倍的螺紋高度。

2　水下采油樹裝配預緊力程序化設計

同一棵采油樹不同連接部件以及不同采油樹具有不同的設計參數和工作參數，所以裝配預緊力也不盡相同。但是，采油樹的裝配要求以及相關性質是一致的，所以采油樹的裝配預緊力具有“性質類似，數量不同”的特點，可以實現程序化設計。

不同的采油樹裝配要求是一致的，也就是滿足“連接穩定，保證密封”的要求，所以裝配預緊力計算公式都是一致的，都需要滿足計算式（1）～（6）。公式中涉及眾多參數，但是經過分析不難發現，雖然裝配的部件不同或者采油樹不同，但是其中一些參數卻是固定的。其中，采油樹裝配中所使用的螺栓連接件為A193-B7級螺栓和螺母，所以螺栓連接件的材料性能即成為已知參數；安裝部件的材料已知，所以與裝配零件有關的參數也可以確定，例如結合面的摩擦因數λ，防滑系數Ks等；同時由于安裝部件之間存在剛性密封圈，所以與螺栓相對剛度有關的系數也可以確定。綜上分析可以發現，限制函數中真正的未知變量只有5個，分別為：設計壓力p、螺栓直徑d、螺栓數量Z、部件重力G和部件承壓通道直徑D，所以裝配預緊力可以概括為具有5個變量、6個限制函數情況下求最優解問題。因此，裝配預緊力轉換成如下簡化數學模型［5］，其中程序結構框圖如圖3所示。

1）輸入變量：設計壓力p、螺栓直徑d、螺栓數量Z、螺栓螺距h、部件重量G和部件承壓通道直徑D。

2）限制條件為

3）預緊力計算程序。

利用C語言編程開發出了一套水下裝配預緊力計算程序［6］，程序結構框圖如圖3所示，該程序計算界面如圖4所示。該計算界面包含5個變量參數輸入窗口以及結果輸出窗口，如果輸入參數正確，點擊計算按鈕則會顯示正確計算結果，如圖5所示；如果輸入參數出現錯誤或者未完全輸入所需參數則顯示錯誤計算，需要重新進行輸入，如圖6所示。

圖3　程序結構框圖

圖4　裝配預緊力計算界面

圖5　正確計算結果界面

圖6　錯誤計算結果界面

3　水下采油樹裝配預緊力有限元分析

預緊力需要保證螺栓強度安全和連接面嚴格密封。采用預緊力計算器（如圖4）計算1 500 m水深某型號臥式采油樹閥塊與樹體連接的預緊力，其中已知螺栓直徑為50 mm，螺栓數量為4根，生產通道直徑為103mm，設計壓力為69MPa（100 00 psi），閥塊重力為15 860 N。經計算程序計算預緊力取值范圍為494 645 N≤F≤559 360 N，取預緊力為500 k N，利用Ansys模擬校核該預緊力作用下螺栓強度是否滿足要求。

3.1密封要求

預緊力在計算過程中已經考慮了在殘余預緊力狀態下連接面密封問題，式（2）即為滿足連接件密封的要求，所以只需要確保密封元件在預緊力和工作載荷作用下不會損壞即可保證連接面嚴格密封。圖7為在預緊力作用下，安裝在生產閥塊和采油樹本體之間的密封環應力云圖［7］，其中最大應力為6.020 1×106Pa。密封圈的材料為0Cr17Ni14Mo2，該材料的屈服強度為3.45×108Pa，所以在預緊力作用下密封圈不會被壓潰，能夠滿足密封要求。

圖7　預緊力作用下密封環應力

3.2保證螺栓強度

螺栓連接在預緊力的作用下連接件受到一個壓力作用，而連接件反作用于螺栓的是一個膨脹力作用，促使螺栓具有伸長的趨勢；當工作壓力作用于螺栓時，螺栓又受到一個“膨脹”作用的拉力作用，螺栓繼續伸長，此時需要保證螺栓不能破壞。圖8為螺栓在殘余預緊力和工作載荷聯合作用下應力分布［7］，結果顯示最大應力位置為螺帽、螺母與螺桿相交的臺肩處，最大應力為4.977 8×108Pa。螺栓材料為A193-B7鋼材，抗拉強度為1.08×109Pa，所以螺栓在此種載荷下是安全的。

圖8　殘余預緊力和工作載荷作用下螺栓應力

4　結論

1）本文針對水下采油樹裝配工藝過程，利用水下采油樹裝配預緊力計算方法，得到了裝配預緊力計算公式，并且基于C語言編制了一套水下采油樹裝配預緊力計算軟件。

2）利用該計算軟件得到1 500 m水深69 MPa（100 00 psi）工作壓力下某型號臥式采油樹生產閥塊裝配預緊力，可以極大地簡化預緊力計算步驟，對指導水下采油樹現場裝配有著重要意義。

3）利用有限元計算軟件對計算程序結果進行驗證，驗證了采油樹生產閥塊裝配預緊力取值為500 k N時能夠滿足裝配要求，水下采油樹裝配預緊力程序化計算軟件可靠，能夠完成裝配預緊力計算任務。

［1］肖易萍，蘇立國，張憲陣，等.水下采油樹及下放安裝技術研究［J］.石油礦場機械，2014，43（8）：70-73.

［2］秦蕊，羅曉蘭，段夢蘭，等.深水水下采油樹結構及強度計算［J］.海洋工程，2011，29（2）：25-31.

［3］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.

［4］吳宇.法蘭連接中螺栓預緊力及墊片密封性的研究［J］.煉油技術與工程，2006，36（7）：45-48.

［5］秦蕊，羅曉蘭，李清平，等.深海水下采油樹結構及強度計算［J］.海洋工程，2011（2）：25-31.

［6］譚浩強.C程序設計［M］.3版.北京：清華大學出版社，2005.

［7］袁越錦，徐英英，張艷華.ANSYS Workbench 14.0建模仿真技術及實例詳解［M］.北京：化學工業出版社，2014.

Program Design and Finite Element Analysis of Subsea Tree Assembly Pre tightening Force

QIU Pan，ZHOU Li，GUO Zhongyun，SU Liguo，DUAN Menglan，ZHANG Jie
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

The calculation method of subsea tree assembly pre-tightening force is analyzed，and calculating the assembly pre-tightening force of subsea tree production valve block which is 1 500 m water depth and 69 MPa（100 00 psi）working pressure is 494 645～559 360 N.Then it compiled the subsea tree assembly pre-tightening force calculation software based on the C language.Then analyzes the strength of the parts under the pre-tightening force by ANSYS software，the results show that the calculated pre-tightening force can meet the subsea tree assembly requirements，and also proved the calculation software is reliable.

christmas tree；pre-tightening force；calculation procedures；finite element analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.010

1001-3482（2015）10-0042-04

①2015-04-05

國家科技重大專項“海洋深水工程重大裝備及配套工程技術”子課題“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”（2011ZX05027-004-001）

邱盼（1991-），男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事海洋石油工程研究，E-mail：tianya126com＠126.com。