壓縮天然氣高壓儲氣井局部結構強度分析及疲勞壽命評估

， ， ， ， ， ， ，

(1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070； 2.上海藍濱石化設備有限責任公司, 上海 201518； 3.上海石油化工換熱設備工程技術研究中心， 上海 201518；4.齊齊哈爾大學 機電工程學院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

儲氣井多建在交通要道和居民區等人口密集的場所，一旦發生事故將直接危及人民的生命和財產安全[1-5]。儲氣井已被納入特種設備安全監管體系，并按III類壓力容器進行管理，所以其設計和制造應充分考慮各種失效模式并制定有效的預防措施。SY/T 6535—2002《高壓氣地下儲氣井》[6]中提出了疲勞循環次數要求、扭矩要求與密封形式，API SPEC 5B(第16版)[7]給出了儲氣井的井管與接箍之間、井筒與井口裝置之間、井筒與井底裝置之間的圓螺紋連接要求。

國內學者針對儲氣井展開了許多現場試驗研究和數值模擬研究。宋成立等[8]針對套管與管箍螺紋連接特點，通過ANSYS建立接觸單元模型，獲得該部位的應力值，確定該部位的疲勞壽命。段志祥等[9]對井筒水泥固定前和固定后實施了應力測試，結果表明固井后的環向應力最多下降16%，與理論分析結果基本一致，為井筒設計和檢驗提供參考。傅偉等[10]通過施加循環壓力，對儲氣井的抗疲勞性能進行試驗測試。其他學者對儲氣井的筒體和螺紋進行了研究，這些研究為應用標準設計儲氣井提供了具體參考[11-14]。

目前關于儲氣井進排氣接頭、密封堵頭等不連續危險部位的研究較少。這些部位局部薄膜應力較小但總體應力值卻較高，容易發生疲勞破壞。文中結合地下儲氣井結構特性及工程要求，對某加氣站壓縮天然氣(CNG)儲氣井進排氣接頭和密封堵頭這2個結構不連續危險部位進行結構分析，并對最大應力點進行疲勞分析。

1 CGN高壓儲氣井主要設計參數

某加氣站CNG高壓儲氣井總體結構見圖1a。CNG儲氣井主要由套管、管箍、底部裝置、進排氣接頭(圖1b)、密封堵頭(圖1c)和上下法蘭等部件組成， 其中套管尺寸為?244.48 mm×11.99 mm，深度約258 m。密封堵頭與進排氣接頭的材料為35CrMoIII，其抗拉強度Rm為620 MPa, 下屈服強度ReL為552 MPa, 材料許用應力Sm取Rm/2.6和ReL/1.5 的最小值，最終Sm取238 MPa。地下水和有害氣體對設備的外腐蝕不可忽略, 綜合考慮, 儲氣井部件腐蝕裕量取1.0 mm。

圖1 CNG高壓儲氣井結構簡圖

2 CNG高壓儲氣井局部結構有限元計算模型

2.1 密封堵頭

密度堵頭為軸對稱結構，載荷加載與位移邊界條件也為軸對稱形式，在有限元模型中，建立軸對稱平面力學模型，見圖2。

圖2 CNG高壓儲氣井密封堵頭力學模型

應用ANSYS軟件對CNG高壓儲氣井密封堵頭建模，以錐螺紋和底部封頭相連的接頭為位移邊界，在接頭表面有Δx=Δy=Δz=0。采用8節點軸對稱單元(PLANE183)進行網格劃分，單元數為440，節點數為1 415。CNG高壓儲氣井密封堵頭網格劃分及線性化路徑見圖3。

圖3 CNG高壓儲氣井密封堵頭網格劃分及線性化路徑

圖3中性化路徑A-A從密封堵頭應力強度最大節點處選擇，選定云圖中的密封堵頭圓弧過渡區最大應力點，沿著壁厚方向的最短垂直距離設定應力線性化路徑。

2.2 進排氣接頭

進排氣接頭的結構屬于軸對稱結構，載荷加載與位移邊界條件也為軸對稱形式，在有限元模型中，建立1/4立體力學模型，見圖4。

應用ANSYS軟件對CNG高壓儲氣井進排氣接頭建模。進排氣接頭通過錐螺紋與上封頭連接在局部柱坐標系下，約束接頭下表面的軸向與環向位移，并對接頭軸向橫截面上施加對稱約束。采用8節點六面體實體單元SOLID186進行網格劃分，單元數量為16 435，節點數量為62 794。CNG高壓儲氣井進排氣接頭網格劃分及線性化路線見圖5。

圖5中線性化路徑B-B在進排氣接頭應力強度最大節點處選擇，選定云圖中的進排氣接頭螺栓孔下邊緣與內壁交點處的最大應力點，沿著壁厚方向的最短垂直距離設定應力線性化路徑。

3 CNG高壓儲氣井局部結構有限元計算結果分析

3.1 應力分析

3.1.1密封堵頭

在密封堵頭內表面施加內壓pc=25 MPa，得到的設計工況下CNG高壓儲氣井密封堵頭應力分布云圖見圖6，密封堵頭A-A截面的線性化應力分布見圖7。

圖6 CNG高壓儲氣井密封堵頭應力分布云圖

圖7 密封堵頭A-A截面線性化應力分布

由圖6和圖7可看出，壓力載荷作用下密封堵頭應力最大點位于內壁圓滑過渡處，最大應力值為344.04 MPa，一次局部薄膜應力SⅡ=68.6 MPa， 一次應力+二次應力SⅣ=146.78 MPa。

3.1.2進排氣接頭

在進排氣接頭內表面施加內壓pc=25 MPa，得到的設計工況下CNG高壓儲氣井進排氣接頭應力分布云圖見圖8。取最大應力處的節點到外側一節點為強度評定路徑B-B，進排氣接頭B-B截面線性化應力分布見圖9。

圖8 CNG高壓儲氣井進排氣接頭應力分布云圖

圖9 進排氣接頭B-B截面線性化應力分布

由圖8和圖9可以看出，壓力載荷作用下進排氣接頭的應力最大點位于開孔與內壁交匯處，最大應力值為197.53 MPa。一次局部薄膜應力SⅡ=136.52 MPa，一次應力+二次應力SⅣ=177.83 MPa。

3.2 應力強度評定

從上述應力線性化的結果可以看出，線性化值相對較高處為應力集中導致，應力集中大多由于結構不連續變形協調產生。對于疲勞容器，在結構不連續處盡量要采取圓滑過渡，這樣可以在一定程度上提高部件的使用壽命。

35CrMoIII鍛件的許用應力Sm為238 MPa，根據JB/T 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設計標準》[15]的強度準則規定，一次局部薄膜應力應小于1.5Sm=357 MPa，一次應力+二次應力應小于3Sm=714 MPa。密封堵頭和進排氣接頭強度評定結果見表1。

表1 密封堵頭和進排氣接頭線性化及應力評定結果

4 CNG高壓儲氣井疲勞壽命評估

疲勞破壞常發生在應力集中的位置，上述有限元計算表明，該CNG高壓儲氣井的應力最大點位于密封堵頭內壁圓滑過渡處，對該點進行疲勞分析。

已知該設備工作壓力為5～20 MPa，即Δp=15 MPa。根據圖7，p=25 MPa時，密封堵頭的總應力最大值Smax為344.04 MPa。在僅施加壓力載荷的情況下，密封堵頭結構中各點處的應力值與所施加的壓力值成線性關系，則在Δp=15 MPa時考察點的最大交變應力強度幅Salt=0.5SmaxΔp/p=103.212 MPa。按JB 4732—1995附錄C中圖C-1查到的彈性模量E=2.1×105對Salt進行修正，溫度修正后的交變應力強度幅Salt′=SaltE/Et=106.248 MPa, 應用JB 4732—1995中表C-1中公式計算可得允許循環次數N1=1.81×105，此值大于儲氣井的設計循環次數n1=2.5×104，因此可判斷儲氣井疲勞校核合格。

5 結語

對CNG高壓儲氣井密封堵頭和進排氣接頭進行了有限元應力分析和應力強度評定。分析結果表明，儲氣井不連續結構部位的局部薄膜應力很小，但總應力卻比較高，應在設計時予以充分考慮。有限元分析可減少疲勞容器設計的盲目性，利于保證設備安全性的同時又可節約材料。本文分析結果可為后續儲氣井的設計、制造及使用提供參考。