修井動力水龍頭疲勞有限元分析方法研究

(遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)①

動力水龍頭通過與小修作業設備結合，代替傳統的大修或鉆井設備，完成套銑、磨銑、鉆塞、切割、倒扣、開窗側鉆等作業[1-3]，降低了作業成本。修井動力水龍頭具有結構緊湊、受作業場地限制少及運輸方便等優點，國內外對動力水龍頭裝置的需求量也越來越大。

國內一些學者對動力水龍頭的強度[4-7]和疲勞[8-9]進行了仿真分析研究。在疲勞分析過程中，直接采用額定載荷作為邊界條件進行分析，并未考慮動力水龍頭的實際工況，導致設計過于保守，材料浪費嚴重；在確定材料疲勞性能時，直接采用實際試驗數據，未按照API 8C標準[10]推薦的設計規范進行修正。

本文依據API SPEC 8C《鉆井和采油提升設備規范》和歐洲機械搬運協會FEM1.001《起重設備設計規范》，結合動力水龍頭實際工況和有限元分析特點，提出一種滿足標準要求的動力水龍頭疲勞有限元分析方法。

1 疲勞分析方法

小修作業設備將作業管柱下入到準備作業位置后，安裝動力水龍頭進行作業；作業完畢，拆卸動力水龍頭，起出作業管柱。動力水龍頭承受載荷為作業過程中井下管柱重力和作業力，最大不能超過動力水龍頭的額定載荷。在強度分析時采用額定載荷進行分析，但在疲勞分析時，應考慮動力水龍頭實際工作狀況進行分析。

動力水龍頭在服役過程中承受的載荷為變載荷。假設動力水龍頭在各應力下的疲勞損傷獨立進行，且總損傷可線性累加，依據Palmgren-Miner理論確定疲勞壽命。將動力水龍頭在服役過程中承受載荷劃分為m個區段(區段劃分越細越接近實際)，假設在第i個載荷區段Pi，預期服役工作比例為ki，達到疲勞破壞的循環次數為Ni，則動力水龍頭設計壽命N為：

2 材料疲勞性能確定

材料的疲勞性能數據可通過試樣試驗確定。針對碳鋼材料，當缺乏材料疲勞極限數據時，可根據材料軸向拉伸性能數據，采用經驗公式[11]進行計算。

σbw=0.5σs

(2)

式中：σbw為材料疲勞極限強度，MPa；σs為材料屈服強度，MPa。

對于高周疲勞，在設計過程中，應根據實際工況對材料疲勞極限強度進行修正。影響材料疲勞性能的因素包括5個方面。

1) 應力集中。在零件幾何形狀突變處，會出現應力集中。疲勞設計采用理論計算時，應考慮應力集中影響；但采用有限元分析時，因分析過程已考慮應力集中，可取應力集中系數ks為1。

2) 零件尺寸。材料性能試驗通常采用的試樣尺寸為6～10 mm，而設計零件的尺寸一般與試樣有較大差別，引入尺寸系數kd修正該影響。

3) 表面條件。材料性能試驗的試樣表面經過磨光，而實際零件表面加工各不相同，粗糙表面會導致疲勞強度降低，引入表面加工系數ku進行修正。

4) 腐蝕狀態。零件工作環境的腐蝕性對疲勞極限也存在影響，引入腐蝕系數kc進行修正。

5) 載荷變化。載荷譜對零件疲勞極限具有重要影響，應根據載荷應力比r對材料疲勞極限進行修正。

式中：σd為材料修正后疲勞極限強度，MPa；ks為應力集中系數，有限元分析時取1；kd為尺寸系數；ku為表面加工系數；kc為腐蝕系數；r為載荷應力比。

結合材料S-N曲線(如圖1)，可以得到修正后材料疲勞性能曲線。

圖1 材料S-N曲線

當8×103≤nk≤2×106時：

當2×106≤nk≤1×107時：

其中：

3 實例分析

以動力水龍頭的提環為例，采用上述分析方法對疲勞壽命進行有限元分析。提環上端與小修設備吊卡連接，下端通過銷軸與水龍頭箱體相連，承受水龍頭重力、作業管柱重力及處理井下事故的作業載荷綜合作用。根據現場使用情況，設定動力水龍頭每次使用周期為5 min、每天工作20 h、每年工作150 d、設計壽命為20 a，則動力水龍頭服役周期的工作總次數為7.2×105，屬于高周疲勞。

1) 材料力學性能。提環材質為35CrMoA，其力學性能如表1。

表1 35CrMoA力學性能

取應力集中系數ks為1、尺寸系數kd為1.65、表面加工系數ku為1.2、腐蝕系數kc為1、載荷應力比r為0，則提環材料的疲勞壽命曲線如圖2。

圖2 提環疲勞壽命曲線

2) 網格劃分。采用Solidworks軟件，建立提環模型，導入ANSYS，根據提環受力特點，刪除對計算結果影響較小的一些細節，簡化模型。網格劃分共包括19 760個節點、12 121個單元，如圖3。

3) 邊界條件。動力水龍頭設計額定載荷為1 067.6 kN，將動力水龍頭在服役過程中承受載荷分為2個區段，設定第1個載荷區段889.6 kN，預期服役工作比例k1為80%；第2個載荷區段1 067.6 kN，預期服役工作比例k2為20%。在模擬分析過程中，忽略自重對分析過程的影響，提環軸銷孔下半圓承壓表面施加固定約束，提環上面凸臺下端面分別施加2個載荷區段的向上載荷889.6 kN和1 067.6 kN。

圖3 網格劃分

4) 模擬分析。取疲勞強度降低因子為0.9，對提環在2個載荷區段的疲勞壽命進行分析，結果如圖4～5。由模擬分析結果可知，提環的最大交變應力在2個載荷區段分別為186.54和223.87 MPa，疲勞壽命值在2個載荷區段均大于1×107，考慮疲勞損傷累加后提環的疲勞壽命大于1×107，大于動力水龍頭服役周期工作總次數7.2×105。因此，提環疲勞壽命滿足設計要求。

a 交變應力

b 疲勞壽命

a 交變應力

b 疲勞壽命

4 結論

1) 在考慮動力水龍頭實際工況的基礎上，基于Palmgren-Miner理論，提出一種動力水龍頭疲勞有限元分析方法。

2) 依據FEM 1.001規范，在考慮應力集中、零件尺寸、表面條件、腐蝕狀態及載荷變化影響的基礎上，確定了材料S-N曲線的計算和修正方法。

3) 以提環為研究對象，進行疲勞壽命有限元模擬。分析結果表明，提環疲勞壽命值大于1×107，高于動力水龍頭服役周期循環總次數7.2×105，提環疲勞壽命滿足設計要求。