基于ANSYS Workbench的耐壓試驗設備強度和應力分析

張袁祥，李銘，段瑞芳

（中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300451）

0 引言

隨著全球經濟的飛速發展，人類對石油天然氣的需求也逐漸擴大，而由于陸地空間和資源的限制，海洋成為近年來人類開發的目標。海洋資源包括海水、海洋生物、海洋能源、海底礦物資源，其中海洋石油資源日益成為各國爭奪的重點，隨著海洋油氣勘探新技術的不斷應用和日臻成熟，全球已進入深水油氣開發階段，海洋油氣勘探開發已成為全球石油行業主要投資領域[1]。常規海洋地震勘探技術包括海上拖纜和海底電纜。但是面對復雜多變的海洋環境，物探船作業時，定位、激發與接收地震波過程會產生一定誤差，這也會影響最終的勘探結果，常規勘探技術已逐漸不能滿足勘探要求。海底節點（Ocean Bottom Node）地震勘探技術的出現不僅克服了海水的影響，還大大提高了勘探數據的準確性，代表了海洋勘探技術的發展方向[2]。

海底節點是一種位于海底，可以獨立采集、記錄地震信號的多分量地震儀，主要由控制單元、電池單元、檢波器單元等組成。海底節點產品研制過程中，首要考慮的因素是產品的密封性能，保證該產品在海底能夠滿足耐壓要求，正常進行采集作業。所以，在節點實際使用前，對其進行耐壓試驗是必不可少的環節。本文提出一個能夠滿足30 MPa壓力要求的試驗設備，并對其進行應力分析和強度評定，為該設備的使用提供了可靠的理論依據，該耐壓試驗設備的成功使用，也將提高海底節點產品質量的可靠性和穩定性，為海洋石油勘探技術的發展提供有力保證，為保障國家能源安全貢獻力量。

1 主體材料及參數

該設備的釜底、釜體、釜蓋及剪切環等承壓零部件的材料為20MnMoNb鍛件，密封圈托架的材料為S30408鍛件，所有與工作介質接觸的受壓元件內壁均為TP.309L+TP.308L材料的堆焊層，厚度不小于5 mm，該材料和加工工藝已在多個類似項目中應用多年，產品質量可靠、運行良好，該設備的主體材料及參數如表1所示。該設備的結構參數中，較關鍵的兩個尺寸計算過程如下。

表1 主體材料及參數

1.1 釜體主要尺寸

根據實際生產需要及場地空間要求，設計釜體內徑Di=1010 mm，通過下式可以得到釜體厚度：

式中：δt為釜體計算厚度，δn為名義厚度（向上圓整至標準規格），δe為有效厚度。

1.2 釜底主要尺寸

通過查詢GB/T 150.3—2011中表5-10和圖5-21數據，可以得到該設備中涉及的平蓋系數K取值為0.175 7，通過下式可以得到釜底厚度：

式中，δd為釜底計算厚度。

結合式（2）、式（3）進而求出名義厚度和有效厚度。

2 有限元模型建立

根據耐壓試驗設備的圖樣要求，該設備按照GB/T 150—2011標準設計，由于剪切環和料架結構和受力情況復雜，采用GB/T 150—2011已無法滿足計算要求，根據該標準中附錄E中關于“局部結構應力分析和評定”的規定，對于容器總體按照GB/T 150—2011設計，局部結構采用應力分析的方法。應力分類及應力分析結果的評定方法、局部結構的制造、檢驗和驗收要求均遵循JB 4732—1995的相關規定。

根據該耐壓試驗設備的結構特點，本文中僅進行殼體、剪切環和料架、釜蓋模型的應力分析，其余部位由常規計算保證，在此不再分析計算。

2.1 三維模型

為了避免ANSYS Workbench軟件中建模的復雜性，本文選用SolidWorks軟件進行耐壓試驗設備三維模型的建立。為了節約計算時間，對模型進行了簡化處理。為了保證分析結果的可靠性和加快模型分析進程，僅選擇部分模型進行分析：1）模型一（殼體+剪切環）。根據殼體和剪切環的結構特點及載荷特性，本文取1/8模型進行分析，如圖1所示。2）模型二（料架+釜蓋）。根據料架和釜蓋的結構特點及載荷特性，本文取1/2模型進行分析，如圖2所示。將三維模型導入ANSYS Workbench軟件中。

圖1 模型一（殼體+剪切環）

圖2 模型二（料架+釜蓋）

2.2 單元選擇及網格劃分

本文選用ANSYS Workbench軟件進行應力分析計算，應力評估遵照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》中的分析設計一般準則進行。

有限元分析中網格劃分可以分為自由網格、映射網格和掃略網格等，每一種劃分方法各有其特點和應用場合，其中映射網格劃分方法可以減少計算所需的資源、加快計算速度，在節點個數相同的情況下精度更高，結合本模型的結構特點，選擇映射網格方法進行劃分，劃分結果如圖4、圖5所示。模型一（殼體+剪切環）如圖3所示。模型二（料架+釜蓋）如圖4所示。

圖3 模型一網格劃分

圖4 模型二網格劃分

圖5 模型一邊界條件

2.3 邊界條件

根據該耐壓試驗設備的具體使用條件，本文中規定了該設備應力分析時的邊界條件，并對部分計算過程進行如下說明。

2.3.1 模型一（殼體+剪切環）

邊界條件的位置和方向如圖5所示。

1）位移邊界條件。殼體底面：釜底固定，允許筒體向外自由膨脹，限制筒體旋轉。XOY、XOZ平面內施加對稱約束。

2）力邊界條件。殼體、封頭內表面受內壓P，接管等效壓力F計算公式為

式中，R=d0/d為接管外徑與內徑之比。

釜體、釜蓋內表面受內壓，即設計壓力P＝32 MPa；剪切環槽內施加10 kg（根據該設備密封結構設定此值）負載，即推力F=100 N。

2.3.2 模型二（料架+釜蓋）

邊界條件的位置和方向如圖6所示。

圖6 模型二邊界條件

1）位移邊界條件。釜蓋表面：釜蓋頂部固定，XOY平面內施加對稱約束。

2）力邊界條件。料架每層托板承受測試件重力及自身重力，每層質量約250 kg，即F=2500 N。

3 應力分析及強度評定

3.1 模型一（殼體+剪切環）

殼體和剪切環的應力分布如圖7所示。

圖7 模型一應力分析

最大應力出現在釜底內部倒圓角處，最大應力值為476.6 MPa，大于材料的設計應力強度（230 MPa），需對危險部位進行應力線性化，如圖8所示，選擇A～E共5條路徑進行應力線性化，根據JB 4732—1995中表4-1和表5-1可以得到，該設備應重點關注局部薄膜和二次應力的受力情況，另外載荷組合系數K值應根據該標準中的表3-3選取。

圖8 模型一應力線性化路徑

應力線性化數據及校核結果如表2所示，根據JB 4732—1995中5.3節提出的各類應力強度的許用極限，得到表2中的評定條件，可以看到5條路徑的應力線性化均滿足評定要求，即符合該設備設定的耐壓條件。

表2 應力線性化數據及校核結果

3.2 模型二（料架+釜蓋）

料架和釜蓋的應力分布如圖9所示。

圖9 模型二應力分析

最大應力出現在螺釘與釜蓋連接處，最大應力值為60.755 MPa，小于材料的設計應力強度137 MPa，滿足該設備設定的耐壓條件。

4 疲勞分析

4.1 本體疲勞計算

從應力分析結果可見，最大應力點在釜底內部倒圓角處，整個設備各點操作狀態相同，故選擇該處進行疲勞分析。

總應力強度是在設計條件（設計壓力和設計溫度）下求得，故在求交變應力強度幅值時應乘以操作壓力差與設計壓力的比值。

4.2 正常工作循環

在整個應力循環（設計載荷P=32 MPa，工作循環范圍為0 MPa→30 MPa→0 MPa）中，總應力強度σT=476.6 MPa，故在求交變應力強度幅值時應乘以相應系數，即

按照JB 4732—1995標準中C2.2節要求進行計算：

根據設計疲勞曲線查到設計許用應力下的循環次數N＝16000 次，實際循環次數n＝7500 次，故該耐壓試驗設備在使用年限范圍內的開啟次數滿足使用要求。

5 結論

通過上述的應力分析和疲勞分析結果可以看出，本文中提出的耐壓試驗設備的結構、尺寸設計合理，能夠滿足強度和應力的計算要求，為該設備的使用提供了可靠的理論依據，該耐壓試驗設備的成功使用也將提高海底節點產品質量的可靠性和穩定性，為海洋石油勘探技術的發展提供有力保證，為保障國家能源安全貢獻力量。