水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进

在石油钻采中，封隔器卡瓦承受巨大压力易发生断裂，直接影响到封隔器的密封性能，从而影响油井的开采过程及生产安全。运用有限元分析软件ANSYS Workbench对卡瓦进行有限元数值模拟分析。施加140 kN载荷时，卡瓦最大应力为230.11 MPa，超过其材料的最大抗压强度；对卡瓦封隔器试验模型进行压裂试验，试验施加压力为186.33 kN时卡瓦发生断裂，测得抗压强度为233 MPa；对卡瓦进行结构设计，卡瓦牙间距尺寸分别为15 mm、25 mm和30 mm。根据有限元分析结果，卡瓦牙间距为30 mm时卡瓦应力、应变分布趋于均匀，所承受的最大载荷为240 kN，最大应力为230.66 MPa、最大变形量为0.058 mm，证明此卡瓦结构尺寸较为合理。     

水下井口系统拉伸与弯曲测试工装设计与分析

水下井口系统在深水油气开采作业期间承受复杂载荷的作用，极易发生强度破坏和结构失效。目前主要通过数值模拟的手段对水下井口系统进行分析，无法准确评估水下井口在工程应用时的安全性，研制水下井口系统的专用测试设备并分析其试验过程中的结构稳定性具有重要意义。根据水下井口系统实际装配结构，自主设计了水下井口承受悬挂、拉伸、弯曲载荷下的专用测试工装。为论证测试工装结构在测试试验过程中是否会发生强度破坏，基于ANSYS Worbench建立了3种测试工装的有限元模型，分析得到不同工况下测试工装应力响应云图。计算结果表明：悬挂载荷测试时，测试工装最大应力为597.50 MPa;弯曲载荷测试时，测试工装最大应力为349.34 MPa;拉伸载荷测试时，测试工装最大应力为179.14 MPa。各部件应力均未超出材料屈服强度，能够保证测试试验的稳定运行。研究结果可为水下井口系统测试工装的研究设计提供参考。     

基于超声波测厚的海洋修井机井架强度分析

为评估在役井架的承载能力,采用超声波测厚仪,在海上平台现场对服役8 a的HXJJ180井架杆件厚度进行了测量,据此建立了井架有限元模型,并按16种组合工况对井架进行了强度分析。由于井架各杆件不仅承受轴向力,而且也承受弯矩作用,故单元类型选择时考虑了结构尺寸和承受的载荷;将井架下底座视为刚体,约束连接处的所有自由度。分析结果表明,海洋修井机井架受环境腐蚀较为严重,有限元分析有助于掌握各杆件在给定工况下的应力及强度特性,采用超声波测量方法可获得精确的杆件厚度数据,保证有限元模型与实际井架相符;井架在最大钩载下最大应力小于许用应力,仍可安全服役,但最大应力200.41 MPa接近许用应力,使用中应避免过载,并注意防腐,以延长井架服役寿命。     

连续油管对接焊残余应力场分析

基于ABAQUS有限元模拟软件对CT90钢级Φ38.1 mm×2.7 mm连续油管焊接接头的残余应力进行模拟,建立了连续油管对接焊有限元模型,得到了连续油管对接焊时焊缝处残余应力分布规律。结果显示,随着热源的移动,温度降低,残余应力增加,期间周向出现了最大残余拉应力405.7 MPa,轴向出现了最大残余压应力195.7 MPa;冷却后,最大残余应力主要集中在焊缝处,并沿着垂直于焊缝方向逐步递减。试验结果对连续油管后续消除对接焊残余应力提供了理论依据。     

高陡边坡输气管道的受力特性分析

为了探究高陡边坡对输气管道安全性的影响,应用ANSYS有限元软件,考虑管道和土体之间相互作用的非线性,建立了高陡边坡处管土相互作用的三维有限元模型,分析了设计工况下管道的应力状态。通过计算发现,高陡边坡处管道的应力集中和最大纵向位移主要出现在下坡段弯管处,管道承受的最大Von Mises应力为189 MPa,最大纵向位移为3. 79 mm,椭圆度为1. 23%,均满足规范要求,高陡边坡处管道的通行方案可行。为了确定合理的管道通行方案,分析了坡高、管径、内压和壁厚对管道应力和变形的影响,分析结果表明:当坡高大于15 m时,应采取增加支墩、采用阶梯式下坡等方式,以减小重力载荷对下坡段弯管的直接作用;大口径管道更容易发生强度和稳定性失效破坏;当内压达到7. 5 MPa时,管道将发生强度失效,但未发生稳定性失效;随着壁厚增加,管道的应力和椭圆度均有所下降,但下降幅度并不大。研究结果可以为山区管道的设计和安全防护提供一定的技术支撑。     

基于Sesam仿真的原油转驳船主机基座强度校核

为保证主机基座满足原油转驳船(Crude Transfer Vessel, CTV)正常工作时的强度要求,建立CTV主机基座的三维仿真模型。采用Sesam软件在多种载荷施加状态下对主机基座的应力分布和自振性进行分析和校核。结果表明,主机基座区域应力最大值为237 MPa,低于最大许用应力284 MPa。当主机正常工作时,基座各节点振动位移不超过3 mm,且固有频率处于危险共振频率区间外,不会产生有害振动。主机基座结构强度符合CTV船体技术要求。     

蒸汽分汽缸裂纹缺陷强度评定及优化设计

蒸汽分汽缸作为工业锅炉的主要配套设备广泛应用于多种行业。在其使用过程中容易产生裂纹等缺陷,造成安全隐患。因此应对有缺陷的分汽缸进行强度评定,以防止事故的发生。采用ANSYS Workbench软件对有裂纹分汽缸进行力学计算,分析其变形及应力分布状态,然后基于J积分理论并采用应力强度因子方法,对裂纹缺陷强度进行评定。结果表明:分汽缸裂纹区域最大正应力为155.83 MPa,不满足强度要求;增加加强圈后,正应力降至84.45 MPa,经评定后满足强度要求,分汽缸可以继续使用。此方法可为分汽缸优化设计提供参考和依据。     

自升式平台多功能上层建筑与基座对接标准化接口设计

基于SEASM水动力分析软件和有限元建模技术,针对不同典型设计工况和不同模块的装载工况,提出一种新型自升式平台多功能上层建筑与主体基座对接标准化接口,重点解决不同模块与平台基座对接时精度差、效率低、强度不足和接口不吻合等问题,对所涉及的接口受力情况进行评估和强度分析,根据不同功能模块的计算结果对接口局部进行加强,设计出满足功能和强度要求的标准化接口。结果表明,风电安装功能模块接口的应力最大,采用对局部进行肘板加厚处理,使风电安装平台模块满足设计要求,其他功能平台均满足要求。     

大直径埋地管道应力应变有限元分析与计算

利用通用分析软件ABAQUS,应用“生死单元” 技术,模拟了基坑开挖、填埋过程对Φ1 620 mm×20 mm大直径埋地管线应力应变的影响。通过对不同埋深管体应力应变的有限元分析,得出施加内压2.5 MPa,埋深8 m时,管体受到的等效应力最大（130 MPa）,未超过材料的屈服强度,管体并未发生塑性变形,管体横向最大位移为2.47 mm。通过理论计算校核,埋深8 m时,管体水平方面最大变形量为12.5 mm,远小于标准规定的48.6 mm,管体径向稳定性可靠。     

大直径输水钢管承插搭接焊接口设计与应用

针对国内目前大直径输水钢管现场对接焊安装时出现的对接质量低、速度慢、焊接接口漏水等问题,结合国外应用经验,通过对承插搭接焊接口进行参数设计和受力分析,设计了一种大直径输水钢管承插焊连接方式,并通过试验模拟了现场焊接和试压。结果表明,钢管承插搭接焊连接可降低对接难度,提高对接速度和接口的密封性,以期为我国输水钢管的生产和安装提供更好的解决方案。     

海底尾水排放用X65MO超厚壁螺旋埋弧焊管的开发

为开发适用于尾水排放并满足海底运行条件的螺旋埋弧焊管,通过化学分析、显微组织分析和力学性能试验等方法,开发出一种低C及Mn-Cr-Mo-Nb系合金体系、多边形铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体组织特征的X65MO材质、25.4 mm超厚壁热轧卷板。同时,通过径厚比、板宽、成型角对成型质量的影响规律和焊接线能量对焊缝质量的影响规律进行分析研究,确定出小径厚比、超厚壁Φ1 219 mm×25.4 mm钢管的成型参数和焊接参数,获得了低残余应力和高焊接质量的钢管,并且对试制的螺旋埋弧焊管的理化性能进行了检测。结果显示,钢管母材屈服强度为475～560 MPa,抗拉强度为570～635 MPa,焊缝抗拉强度为590～690 MPa;-10 ℃下的母材、焊缝和热影响区夏比冲击功平均值分别达到427 J、207 J和215 J,0 ℃下DWTT剪切面积平均值为98%;母材、焊缝和热影响区硬度最大值为241HV10。研究表明,试制的海底尾水排放用X65MO钢级Φ1 219 mm×25.4 mm超厚壁螺旋埋弧焊管具有良好的力学性能,可满足API SPEC 5L（46版）标准和工程技术条件要求。     

适用于浅海小口径复合软管的接头形式研究

设计了一种适用于软管结构的接头形式,在一定压力作用下保证软管的强度和密封性,同时能够释放金属铠装层中累积的渗透气体,成功实现复合软管的连接和保护。因其在动力特性、地形适应性、抗腐蚀性、安装等多方面的优势,越来越多的油田开发考虑采用软管来代替钢管,具有很大的发展前景。     

WSP特殊螺纹接头油井管的研制

介绍了WSP特殊螺纹接头的基本结构和设计思想,运用有限元方法,重点论述了密封设计和连接强度设计的方法和准则,并通过全尺寸试验进行了验证。计算和试验结果表明,该接头具有先进的螺纹形式、合理的扭矩台肩和金属/金属密封结构,有效地克服了API圆螺纹和偏梯形螺纹的不足,螺纹达到了与管体等强度,气密封能力达到了管体的内壁屈服压力。研究结果可以为开发更多适合油气田实际的特殊螺纹接头油井管提供参考。     

基于应变设计的L485海洋管材开发

为了满足海底管道用高应变钢管的需求,采用基于应变设计方法进行了L485海洋管材的开发。采用低C、Nb、Ti 微合金化成分设计和多边形铁素体+贝氏体的双相组织设计,开发出屈强比≤0.80、均匀延伸率≥12.0%、-20 ℃下平均冲击功＞400 J的31.8mm厚壁L485钢板,并采用此钢板进行了Φ559 mm×31.8 mm规格L485钢管的试制。对试制出的钢管进行了力学性能测试,测试结果显示,钢管的纵向屈服强度为485～585 MPa,抗拉强度为570～700 MPa,屈强比≤0.85,总伸长率≥25%,均匀延伸率≥7%。试制结果表明,钢管的强度、塑性、韧性等均已达到高应变海洋管研制目标要求。同时,针对存在的屈服强度和应变硬化指数偏下限、热影响区软化等问题,需要从钢板成分及性能、钢管成型及焊接工艺等方面进一步优化设计。     

基于应变设计的X100钢管的开发和生产

介绍了X100(690 MPa)高强度管线钢管在国际管线中的应用.提出了基于应变设计的X100管线管的具体要求.详细介绍了基于应变设计的X100管线钢板和钢管的开发与生产情况,并对所试制的X100管线钢管的各项性能及几何尺寸进行了检测.试验和检测结果表明,新开发钢管的各项性能满足设计要求,即较低的屈强比、足够的均匀伸长...     

纤维增强复合材料柔性管强度校核及截面设计

在海洋油气勘探中,海洋立管和海底管道采用复合材料柔性管可以弥补钢管使用中存在的耐腐蚀性差、质量大以及安装成本高等诸多不足。但在对柔性管进行安装分析前,需要明确柔性管的类型和规格,并根据安装作业和在位使用的要求对柔性管进行截面设计。为此,根据设计载荷的要求,利用ABAQUS软件建立了纤维增强复合材料柔性管的有限元模型,根据复合材料柔性管DNV规范和材料属性确定其失效判断准则,并对柔性管进行内压、外压和拉伸载荷组合工况下的应力分析校核,得到了组合工况下缠绕角度对拉应力的影响,确定了柔性管存储和安装时的最小弯曲半径。研究结果对纤维增强复合材料柔性管的设计与使用具有一定的参考意义。     

螺旋缝埋弧焊弯管残余应力及使用安全性研究

为探明感应加热控轧钢螺旋缝埋弧焊管弯制后残余应力对使用安全性的影响 ,采用机械切割应力释放法 ,选取外径为 711mm、壁厚为 9 5mm的X60钢级的直管、弯管和热处理后弯管 ,进行内外表面残余应力的测试和力学性能试验。结果表明 ,感应加热控轧钢推制弯管的残余应力较直管明显增加 ,经回火热处理后 ,虽然残余应力状态得到明显改善 ,但强度指标进一步降低。还采用失效评定图技术和PREFIS软件分析了弯管热处理前后的使用安全性 ,指出残余应力对弯管的脆断倾向有较大的影响。据此建议对弯管的推制工艺和热处理去应力工艺展开研究 ,以尽量减小弯制和热处理中引入的残余应力并保持较高强度     

X80钢JCOE制管过程应变强化规律及其影响因素研究

为了探究X80钢制管过程中应变强化规律及其影响因素,采用厚度22 mm不同厂家生产的6种X80热轧钢板,以相同的JCOE制管工艺生产出 Φ1 219 mm×22 mm规格钢管,并对6种钢板的拉伸性能以及钢板、钢管拉伸性能差异进行了检测。根据检测结果,从化学成分、显微组织等方面分析了制管前后拉伸性能变化的影响因素。分析结果显示,X80钢制管后屈服强度、屈强比有较大幅度的升高,不同材料的升高幅度不同。研究表明,拉伸性能的变化与合金成分无明显的规律,主要与显微组织有关。     

冷定径工艺对热轧HFW焊管性能的影响

为了优化热轧HFW焊管的几何尺寸精度以及提高管坯强度性能,以热轧HFW J55套管管坯为例,通过力学性能、显微组织分析及硬度等试验方法,研究冷定径对管坯性能的强化作用以及不同定径量下管坯性能的变化趋势。试验结果显示,钢管在冷定径工艺处理下,管坯纵向屈服强度及抗拉强度均得到强化,最大可提升7%;定径量越大,管坯强度上升幅度越明显。研究结果表明,对于低钢级或者韧性要求不高的钢管生产时,在热张力减径后再增加冷定径工艺可以提高钢管强度,但如需要生产更高强度或更高钢级的钢管仍需相应的热处理工艺。