壓裂設備關鍵零件有限元分析

孫曉迎+潘詠+李樹林

摘 要：壓裂設備設計過程中需充分保證強度性能和使用可靠性要求，并盡量降低零件尺寸和重量。利用ANSYS和Comsol Multiphysics軟件進行網格劃分、應力云圖、總位移云圖和等效應力云圖分析，為壓裂設備關鍵零件的科學設計提供理論依據。

關鍵詞：壓裂設備；關鍵零件；有限元；應力云圖

中圖分類號：TE357 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0058-02

1 設計要求

石油、天然氣在開采過程中經常會用到壓裂工藝，尤其是非常規石油和天然氣必須通過壓裂的工藝方法才能實現穩產或增產。目前的壓裂工藝正在向“高壓力、大排量、多級壓裂、多井次、復合工藝”等方向發展，工作壓力可達15000Psi（103.5MPa）以上，這就要求設備必須具有耐高壓和高可靠性的特點。因此，需對設備進行科學合理的設計。

2 分析方法和過程

2.1 準備工作

在有限元分析之前需進行準備工作，在Solidworks軟件中建立各關鍵零件的三維實體模型，然后另存為Ansys軟件可讀取的.X_T格式文件；而Comsol Multiphysics軟件直接可以讀取Solidworks的建模文件。

2.2 分析方法和過程

利用Ansys軟件進行分析時，考慮到閥體材料實際使用過程中應具備較好的塑性、強度及剛度等，根據相關資料可知soild 92號單元有十個節點，每個節點具有三個自由度：x、y和z方向上的位移，并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化、大變形和大張力的能力。為了更準確地反映在實際工況中的受載情況，選取Soild 92號單元進行仿真分析，零件材料AISI 4130，屈服強度517MPa，最大工作壓力103.5Mpa。模型以m為單位進行建模，材料特性楊氏模量設置為E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.33，實際工作過程閥體零件內壓為103.5MPa。

2.2.1 關鍵部件閘閥主要零件下閥蓋分析過程及結果

（1）下閥蓋實體模型網格劃分如圖1所示：

（2）下閥蓋Displacement vector sum應力云圖如圖2所示：

由圖2可以看出，模型總位移最大為6.480×10-5m。

（3）下閥蓋Von Mises strss等效應力云圖如圖3所示：

通過圖3可知，下閥蓋最大等效應力值為9.020×108Pa。

2.2.2 壓裂球頭六通零件分析過程及結果

由于壓裂球頭六通零件為完全對稱零件，分析過程中分別對1/2模型，1/4模型分析，進行對比分析。

（1）對1/2模型分析（如圖4～圖6）

1/2模型仿真結果：模型最大位移為1.39×10-4m，最大應力值為7.887×108Pa。

（2）對1/4模型分析（如圖7～圖9）

1/4模型仿真結果：模型最大位移為4.95×10-5m，最大應力值為7.177×108Pa。

對比1/2和1/4模型仿真結果，應力與變形情況相差不大。由此，在一定程度上驗證了對對稱模型采取等分部分的仿真分析方法的合理性。

2.2.3 關鍵部件閘閥主要零件閥體分析過程及結果

取1/8閥體模型分析，處理過程及結果如圖10～圖12：

對閥體模型仿真及有限元分析結果：模型最大位移為7.973×10-5m，最大應力值為6.624×108Pa。

綜合以上分析得出，零件關鍵和主要部位的受力和變形情況均在允許范圍內。

3 結束語

通過對關鍵零件的三維模型進行網格劃分，然后結合使用工況，對仿真模型進行有限元分析，并查明所承受應力和變形位移情況，分析確認選材和零件尺寸設計的合理性，對設備的科學、準確設計具有重要幫助。

參考文獻：

[1]周迪.2800型壓裂泵動力端結構優化設計[D].長江大學，2016.

[2]李向龍，芮執元，雷春麗，等.壓裂泵連桿疲勞強度分析[J].機械制造，2014（12）.endprint