注氣井口裝置油管頭六通有限元分析與優化

徐彤彤，龔　凱，2，周　海，張　圓，2，姜玉虎，張水玉

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；3.江蘇宏泰石化機械有限公司，江蘇 鹽城 224400)①

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注氣井口裝置油管頭六通有限元分析與優化

徐彤彤1，龔凱1，2，周海1，張圓1，2，姜玉虎3，張水玉3

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；3.江蘇宏泰石化機械有限公司，江蘇 鹽城 224400)①

摘要：基于ANSYS Workbench有限元分析平臺，以減輕結構質量為目標，采用多目標遺傳算法對注汽井口裝置的油管頭六通結構參數進行優化設計。在滿足結構強度、剛度要求的前提下，油管頭六通的質量從546.295 kg降低到504.66 kg，減少了7.62%，降低了制造成本，且便于運輸、安裝。為注汽井口裝置整體結構的優化設計提供依據。

關鍵詞：井口裝置；油管頭六通；結構；優化設計

注汽井口裝置是油田作業中使用數量最大、種類最多的裝備之一[1]。每口油氣井必須配備該裝置。隨著地層變化、環境不同、井壓各異，以及油氣狀態、油氣密度及所含有害物質的種類和組份的大小等均對井口裝置提出了不同的設計要求[2-3]。因此，分析研究滿足各種復雜工況要求和安全可靠的井口裝置，對不斷縮小我國與發達國家之間的差距，有效提升我國在該領域的影響和市場競爭力等均有著非常重要的意義[4-6]。

注氣井口裝置油管頭六通殼體內的兩只懸掛器部件和內外兩根同軸油管，以及最外層的套管和側壁上連接的兩排平行的注氣管閥件，可以方便地實現分層注氣和開采作業[7]，解決了原有油管頭四通不能適應注水、注氣或分層注氣的開采要求，不能適應二氧化碳氣體強腐蝕的工作環境，不能適應油氣井遠距離操控的問題[8]。

在進行注氣井口裝置油管頭六通的設計計算時，通常將較復雜的圓筒相貫結構簡化為直通厚壁圓筒，這樣就不能定量分析結構本身的復雜特點及應力集中因素，產生較大的計算誤差，使結構參數計算不合理。既造成了不必要的材料浪費，也增大了井口裝置的體積，帶來運輸、安裝的不便。

用ANSYS軟件對注氣井口裝置油管頭六通進行有限元分析，得到油管頭六通內應力分布情況。在此基礎上以質量最小化為目標函數，以最大等效應力作為約束條件對油管頭六通進行結構優化，達到節省材料和提高可靠性的目的。

1油管頭六通的有限元分析

1.1結構參數

注氣井口裝置油管頭六通結構如圖1所示。主壁厚t=38.4 mm，內圓角半徑R1=15 mm、外圓角半徑R0=10 mm。材料為1Cr13，材料的彈性模量E=216 GPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 770 kg/m3。

圖1　油管頭六通

1.2有限元模型的生成

采用在ANSYS中直接生成模型的方法進行建模。為了減少在有限元計算過程中產生誤差，對油管頭六通上的一些細小結構進行簡化，簡化后的模型如圖2所示。建模時將上部密封槽簡化為一個平面圓環，以便施加載荷；側面密封槽和法蘭的卡箍予以忽略。

圖2　油管頭六通的有限元模型

1.3單元類型的選擇與網格劃分

在ANSYS結構線性分析中，三維實體網格有六面體網格和四面體網格2大類。油管頭六通的結構是典型的不規則結構，不便采用六面體網格。此處采用四面體二次等參單元，即SOLID92單元，這種單元有10個節點，每個節點有3個自由度。設置單元尺寸為3 mm，采用自由網格劃分方式生成有限元網格。劃分網格后的有限元模型，節點數為139 812，單元數91 645。

1.4載荷分析

油管頭六通主要承受介質內壓、油管柱的重力以及安裝在油管頭六通上其他裝置的重力。其額定工作壓力為35 MPa，水壓試驗壓力為70 MPa，故取內壓為70 MPa，施加在油管頭六通內表面；井深為2 000 m，油管柱的重力約為156 800 N，換算為壓力36.79 MPa，施加在油管頭六通的支撐環上；安裝在油管頭六通上裝置的質量4 900 N，換算為壓力1.23 MPa，施加在上部密封槽上。

1.5邊界條件

由對稱性規定，在兩個剖分面上施加對稱約束。油管頭六通的底部采用螺栓與套管頭連接，因此，在連接套管頭的一端施加軸向約束。

2有限元計算結果分析

通過有限元分析，得到油管頭六通等效應力，如圖3所示。結果表明，油管頭六通內最大應力為162.78 MPa，出現在圓柱內表面與手動平板閥圓筒相貫處。由有限元分析結果可以看出，圓筒相貫處存在明顯的應力集中現象，其他部位應力遠小于最大應力。因此可判斷油管頭六通的整體強度余量偏大。若能減輕質量的同時，減小油管頭六通內部的應力集中，則設計更為合理。

圖3　優化前油管頭六通的應力分布

3油管頭六通的結構優化

3.1ANSYS優化設計的基本流程

ANSYS優化設計主要有以下基本步驟：①描述工程問題；②參數化建模；③求解；④后處理；⑤優化參數評價；⑥修正設計變量；⑦獲取優化設計變量值和目標函數值。

3.2優化變量設置

優化變量包括設計變量、狀態變量和目標函數。

1)設計變量分析可知，油管頭六通的質量與主壁厚t有關，而圓筒相貫處應力的大小與內圓角半徑R1和外圓角半徑R0有關。故以t、R0和R1這3個結構參數作為設計變量。其取值范圍為25 mm≤t≤40 mm，5 mm≤R0≤30 mm，10 mm≤R1≤35 mm。

2)狀態變量以最大Von Mises等效應力即許用應力作為為狀態變量。1Cr13為塑性材料，屈服極限δs=345 MPa。故許用應力[δ]=δs=345 MPa。

3)目標函數。本設計優化目標是油管頭六通質量最小，由于油管頭六通材料是均勻的，故優化時以總體積為目標函數。這樣在計算中就不用計算質量矩陣，節省計算時間。

4優化結果分析

利用APDL語言實現油管頭六通的結構優化過程，得到目標函數優化曲線，如圖4所示。

圖4　質量與最大應力最優解集

由圖4可知，可行解位于坐標系原點附近，這符合優化目標最小化期望。從最優解集中選取效果較好的一組作為最優解，并以其為設計點驗證優化后的效果。優化前后結果如表1所示。

表1　優化前后結果對比

由表1可以看出，優化后整個油管頭六通質量由546.295 kg減輕為504.66 kg，減少了7.62%。應力最大值雖然由優化前的167.78 MPa增加到185.77 MPa，但是優化后的應力依然遠小于1Cr13的屈服極限345 MPa。所以此次優化是符合要求的。

5結論

1)為了減輕注氣井口裝置油管頭六通的質量，基于Ansys Workbench平臺，采用多目標遺傳算法對其進行優化設計。

2)優化后的質量為504.66 kg，質量減輕了7.62%。最大應力為185.77 MPa，符合規范要求。既滿足性能要求，又降低生產成本，并方便運輸和安裝。

3)利用ANSYS進行多參數、形狀復雜零件的結構優化設計是可行、高效的，可為石油井口裝置同類零部件的優化提供參考，并為之后的油管頭六通結構的系列化設計奠定了理論基礎。

參考文獻：

[1]王輝.高壓采氣井口裝置研制[D].大慶：東北石油大學，2013.

[2]龐伶伶.遠程控制井口作業裝置的設計與仿真[D].大慶：東北石油大學，2012.

[3]曹川，馮宇，王金宏，等.海洋油氣井水下井口回接裝置[J].石油礦場機械，2012，41(1)：88-90.

[4]黃俠，李嘯南，王輝.注汽采油多用井口裝置研制[J].石油礦場機械，2010，39(4)：87-89.

[5]申玉壯，高亮，王海濤.金屬密封油管頭在熱采井口裝置中的應用[J].新疆石油天然氣，2013(4)：84-86.

[6]張釗.井口裝置35CrMo鋼懸掛器的不銹鋼堆焊技術研究與應用[D].西安：西安石油大學，2012.

[7]張川，宋振華，鄭泳，等.鉆完井一體式油套管頭的研制與試驗[J].石油機械，2015(2)：18-21.

[8]何云松，張鎖龍，裴峻峰.高壓油管頭四通應力分析設計[J].江蘇工業學院學報，2009(3)：22-25.

文章編號：1001-3482(2016)07-0042-03

收稿日期：①2015-12-03

基金項目：國家自然科學基金(51405420)；江蘇省產學研前瞻性創新資金項目(BY2014108-04)；江蘇省“六大人才高峰”(2013-ZBZZ-026)

作者簡介：徐彤彤(1989-)，女，江蘇射陽人，碩士，主要研究方向為機械機構優化和設計，E-mail：469020843@qq.com。

中圖分類號：TE933.502

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.008

FEA and Optimizing for Tubing Head Spool of Gas Injection Welled Equipment

XU Tongtong1，GONG Kai1，2，ZHOU Hai1，ZHANG Yuan1，2，JIANG Yuhu3，ZHANG Shuiyu3

(1.YanchengInstituteofTechnology，Yancheng224051，China；2.JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China；3.JiangsuHongtaiPetrochemicalMachineryCo.，Ltd.，Yancheng224400，China)

Abstract：Based on ANSYS Workbench，the structure of tubing head spool for gas injection welled equipment is analyzed and optimized to reduce weight applying multi-objective genetic algorithm.The mass of the tubing head spool decreasing at 7.62% from 546.295 kg to 504.66 kg after the optimizing which indicates the project is reasonable which realizes the target to lessen weight while satisfy the demand of stiffness.The new structure is easy to be transported and installed in lower cost which provides a basis to improve the total structure of gas injection welled equipment.

Keywords：wellhead equipment；tubing head spool；structure；optimizing design