壓裂暫堵劑生產設備支架強度分析與改進*

肖玉明，李昭輝，賀藝軍

(1.中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

0 引 言

壓裂暫堵劑生產設備是一種用來生產暫堵劑顆粒的設備，該設備可以高效、批量生產暫堵劑顆粒。在生產過程中，壓裂暫堵劑生產設備支架上部稱重量較大，為了確保設備的可靠性與使用壽命，有必要對支架的強度和穩定性進行分析。

隨著有限元技術的快速發展以及計算機硬件技術的不斷進步，有限元技術廣泛應用在各種支架結構的設計分析中[1-3]。國內外學者對相關支架強度分析方面做了一些研究，如李兆春[4]、朱昌明等[5]、傅武軍等[6]都是基于超靜定梁計算方法對支架的強度與剛度進行了分析計算，但該方法僅限于如平面支架等簡單構型；采用有限元方法可以對復雜結構進行計算,芮永剛等[7]、趙海燕等[8]都是采用了有限元方法對導軌及支架進行分析，并針對支架的剛度問題，添加加強筋等進行局部加強; 國外主要采用有限元對支架進行分析計算，如Serhat Koc等[9]對某導軌支架在兩種不同的安裝方式下進行有限元分析，結果顯示懸掛式安裝的導軌在安全鉗動作時使導軌支架承受很大載荷，易發生嚴重變形。

筆者利用有限元技術對壓裂暫堵劑生產設備支架進行結構強度分析，結果表明其變形大于設計要求，因此對該支架的結構進行了優化改進。改進后的支架滿足設計要求，同時應力也大幅減小、安全系數提高。對改進后的支架主腿進行穩定性分析，結果表明滿載時支架穩定性也滿足要求。對壓裂暫堵劑生產設備支架的強度和穩定性分析，可以為同類支架的設計和優化提供積極參考價值。

1 總體結構與載荷分析

壓裂暫堵劑生產設備支架總體結構如圖1所示，該支架由工字鋼、槽鋼和方鋼等三種鋼焊接而成。其中起支撐作用的四個主腿為工字鋼，支架上部最外圍的四條邊為方鋼，其余結構均為槽鋼。支架的總長度為6 550 mm，總寬度為5 150 mm，總高度為2 270 mm。

圖1 支架整體結構 圖2 承載區域

壓裂暫堵劑生產設備支架上部支撐有4個大容量罐和1個小容量罐，因此支架在作業中主要受到來自罐和材料的重力作用。在滿載作業時支架最大承受重量可達10 t，具體承載位置如圖2所示，其中1～4號位置處放置大容量罐，5號處放置小容量罐。

2 有限元強度計算

2.1 計算流程

在ANSYS中，命令流是由一條條ANSYS的命令組成的一個命令組合，這些命令按照一定順序排布，能夠完成一定的ANSYS功能。支架的分析流程是從幾何模型到有限元模型，然后加載計算，最后得出結果，但每進行一次計算都需要重新確定參數，再加載計算，消耗時間較長。當只需要修改部分模型的尺寸而重新進行完整仿真計算的時候，就會造成較大的時間成本，因此考慮到支架總成的結構與安裝特點，在第一次建模的時候，利用命令流建模來解決這個問題就非常有必要了，支架強度計算的流程如圖3所示。

圖3 計算流程圖

2.2 定義材料和單元類型

壓裂用暫堵劑生產設備支架材料為Q235，材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，屈服極限為235 MPa。分析單元類型選用兩節點BEAM188單元，該單元基于Timoshenko理論，計入剪切效應和大變形效應的線性有限應變梁，適合于分析從細長到中等短粗的梁結構。

2.3 有限元模型建立

通過自底向頂的建模方式建立支架的線條模型，根據實際尺寸，利用命令流在ANSYS中創建關鍵節點，然后通過關鍵節點建立相應的線條模型，最后給不同的部分賦予不同的截面參數建立完整的有限元分析模型，如圖4所示。

圖4 支架有限元模型 圖5 網格劃分結果

2.4 網格劃分

ANSYS中對梁單元網格的劃分需要考慮線的屬性，制定好屬性后再劃分網格。由于在前面命令流中已經制定了梁截面的放置方式，因此直接使用ANSYS自適應網格劃分方法，網格大小設置為15 mm，結果如圖5所示。

2.5 添加約束與載荷

支架由四個主腿支撐，因此將四個主腿底部的三個移動自由度和三個旋轉自由度全部約束。前面已經對支架的承重區域進行了相應說明，滿載時一個大容量罐重量為2 200 kg，小容量罐的重量為1 200 kg，每個罐都是由四個螺栓固定在支架上，因此具體添加力的位置如圖6所示。

圖6 添加載荷

2.6 計算結果與分析

利用ANSYS對滿載時的支架進行強度分析，有限元計算結果如圖7、8所示。

圖7 應力云圖 圖8 位移云圖

從圖7可以看出，支架的最大應力高達204.17 MPa，接近材料的屈服極限235 MPa，最大應力位置在主腿與支架上部槽鋼焊接處。支架的最大變形為11.77 mm，最大變形位置在支架最外圍處，且支架的最大變形大于設計要求的10 mm,因此變形量不滿足強度要求。雖然計算的最大應力滿足材料的最大屈服強度，但最大變形不滿足強度要求，容易引起支架凹陷，因此為了避免安全隱患和提高設備的使用壽命需要對設備進行優化設計。

3 支架改進設計

為了避免安全隱患和提高設備的使用壽命，需要對設備進行優化改進。根據設備最大應力和最大位移出現的地方，對支架主腿和上部槽鋼連接處進行加強設計，改進后的支架模型如圖9所示。

圖9 改進后的支架模型

對改進后的支架模型重新進行有限元分析，其相關參數均不變，計算的結果如圖10、11所示。

圖10 應力云圖 圖11 位移云圖

從圖10中發現，支架最大應力減小到122.28 MPa，遠小于材料的屈服極限，安全系數提高到1.9，支架的最大變形減小到6.10 mm，小于設計要求的10 mm，因此支架的強度滿足要求。

4 支架主腿線性屈曲分析

屈曲分析是研究結構受到外力作用下發生失穩狀態時，結構產生屈曲特征值和模態形狀的分析方法，本文采用線性屈曲對滿載時的支架進行穩定性分析。支架前6階屈曲特征值，如表1所列。

表1 屈曲特征值

屈曲特征值大于1表明施加載荷未超過臨界載荷值，在滿載時支架結構整體滿足穩定性要求。基于發生1階屈曲變形時的臨界載荷最小且1階振型表示結構首次發生屈曲失穩的位置，特征值和模態振型應以1階為主，如圖12所示。模態振型可以用來預測支架發生失穩時的特征。通過圖12屈曲振型可以看出，屈曲振型主要表現為支架發生失穩時，主腿頂部逐漸偏離原始位置。

圖12 1階屈曲振型

5 結 論

文中針對壓裂暫堵劑生產設備支架在滿足作業時存在的強度問題進行了強度分析，并提出了優化改進方案應用，結果總結如下。

(1) 利用命令流的建模方式建立了壓裂用暫堵劑生產設備支架有限元分析模型，計算了支架的應力分布情況。計算結果表明最大應力為122.28 MPa，最大變形量為6.10 mm。為命令流建模分析提供了積極的參考價值。

(2) 根據應力和位移的分布特征對壓裂用暫堵劑生產設備支架提出優化改進方案，有效地提高設備的使用壽命。

(3) 對支架主腿進行穩定性分析，其1階屈曲特征值為12.9，表明支架滿載時施加的載荷未超過臨界載荷值，支架結構整體滿足穩定性要求。