海底油气管道维修夹具密封结构研究

海底油气管道夹具设备是海底油气管道夹具维修技术的关键部件,而密封技术为夹具设备的关键技术。为此,设计了全结构法兰盘压缩密封型海底油气管道夹具,利用ABAQUS有限元软件建立了夹具周向密封和轴向密封模型,分析了不同摩擦因数下满足密封所需施加的预紧力。分析结果表明,在满足10 MPa密封压力的要求下,夹具周向密封采用不同硬度的橡胶密封材料,这样可降低密封圈压缩损坏的概率,延长橡胶密封圈寿命;夹具的轴向双密封采用同种硬度较高的密封材料,在满足10 MPa密封压力的要求下,所需施加的螺栓预紧力较小,这在一定程度上减小预紧螺栓的直径和夹具耳板厚度,进而减轻整个夹具设备的质量。所得结论能够对夹具的整体结构设计进行优化,同时可对现场应用提供指导。     

石油机械中O形密封圈的动密封特性分析

目前对往复运动的O形密封圈密封特性的研究较少,而O形密封圈用于往复动密封时其工况更恶劣。鉴于此,建立了O形密封圈的有限元模型,分析了其在往复动密封中的密封性能,并对影响其动密封特性的运动速度、介质压力、预压缩率和摩擦因数进行了分析。分析结果表明,在往复动密封中,O形密封圈内部应力随时间变化而产生波动,在交变应力作用下比在静密封中更易失效;O形密封圈主接触面的最大接触应力并不随速度的增大而线性变化;预压缩率与摩擦因数对O形密封圈外行程密封性能影响较小,而对其内行程密封性能影响较大;O形密封圈在外行程中的密封性能优于内行程。     

石油机械中O形密封圈的动密封特性分析

目前对往复运动的O形密封圈密封特性的研究较少,而O形密封圈用于往复动密封时其工况更恶劣。鉴于此,建立了O形密封圈的有限元模型,分析了其在往复动密封中的密封性能,并对影响其动密封特性的运动速度、介质压力、预压缩率和摩擦因数进行了分析。分析结果表明,在往复动密封中,O形密封圈内部应力随时间变化而产生波动,在交变应力作用下比在静密封中更易失效;O形密封圈主接触面的最大接触应力并不随速度的增大而线性变化;预压缩率与摩擦因数对O形密封圈外行程密封性能影响较小,而对其内行程密封性能影响较大;O形密封圈在外行程中的密封性能优于内行程。     

压裂泵往复密封性能及机理研究

根据流体动压润滑理论，对压裂泵柱塞密封摩擦副的润滑机理进行了理论分析。在排出和吸入行程，柱塞密封摩擦副均能满足流体动压润滑的条件，即在柱塞与密封界面上能形成并保持一定厚度的油膜润滑密封，从而达到减小摩擦提高寿命的目的；建立了摩擦界面油膜厚度和泄漏量的计算公式。利用有限元法理论，对密封圈的压力沿轴向的分布规律、泄漏量与压力变化关系进行了模拟计算。对往复密封圈沿轴向压力分布、泄漏量随压力变化进行了测试；试验结果表明，建立的计算模型具有较高的计算精度，揭示了压裂泵的密封机理。     

管-土相互作用对海底管道横向屈曲的影响

基于ANSYS建立了平坦海床上裸铺管道的非线性有限元模型,分析了管-土相互作用参数对海底管道前屈曲及后屈曲的影响。结果表明,管道屈曲的临界温差、最大弯矩及最大轴向总应变随着横向摩擦因数的增大而增大,管道总屈曲段长度随着横向摩擦因数的增大而缩短;轴向摩擦因数对管道临界屈曲载荷、后屈曲的变形、弯矩及应变影响很小;管道屈曲的临界温差随着土体屈服位移的增大而减小。     

连续油管压裂管柱轴向载荷传递规律研究

对连续油管压裂管柱轴向载荷传递规律进行了研究,同时对影响连续油管轴向载荷传递规律的因素进行敏感性分析。结果表明:管柱尺寸、井眼摩擦因数、方位变化、施加在封隔器上的坐封力对载荷传递影响较大;随着摩擦因数、方位变化率、坐封力增加,轴向力传递效果变差。该研究方法可用于连续油管压裂管柱水平延伸能力分析,可以确定连续油管压裂管柱井下延伸能力,为连续油管压裂施工提供设计依据。     

碟型密封圈的试验研究

牙轮钻头碟型密封圈具有其它轴向密封所不及的优点—单向密封性和自动调节压力平衡。本文通过模拟钻头工况的台架单元试验及分析,认为影响润滑油脂漏失量的主要因素是密封圈两侧的压力差、密封面接触比压、密封圈的线速度、轴向振动和牙轮密封面的光洁度。因此,合理控制上述因素可提高密封的可靠性及寿命。作者在实验的基础上导出控制漏失量的经验公式,可供钻头设计参考。     

全尺寸管道轴向疲劳试验机夹具的设计与分析

全尺寸管道轴向疲劳试验机主要用于各类型海底管道的轴向疲劳试验,试验机的夹具是全尺寸管道轴向疲劳试验机关键部件。介绍了试验机夹具的特点,采用有限元软件ANSYS分析了夹具中螺栓和夹头在20 000 k N作用力下的力学特性,并对静力强度和疲劳寿命进行了校核,结果表明夹具的最大应力低于材料的抗拉强度,疲劳寿命满足设计要求,验证了夹具的可靠性,为全尺寸管道轴向疲劳试验夹具设计提供了依据。     

自膨胀封隔器密封性能影响因素分析

封隔器胶筒密封性能的研究关键就是胶筒与井壁之间的最大接触压力。以YZF51/2″×203×3000型遇油膨胀封隔器为研究对象,利用有限元软件分析了胶筒橡胶硬度、井壁摩擦因数以及工作压力对胶筒与井壁的接触压力以及胶筒应力的影响。分析结果表明,随着橡胶硬度的增加,胶筒与井壁间最大接触压力增加,密封性能增加;井壁摩擦因数较小时,胶筒与井壁间最大接触压力随着摩擦因数增加显著,但当摩擦因数大于0.15后,其对接触压力影响较小;工作压力应该控制在90 MPa以内,即工作压差在30 MPa以内,封隔器能够实现安全密封。研究结果可指导自膨胀封隔器胶筒的优化设计以及自膨胀封隔器的现场应用。     

非黏结柔性立管骨架层摩擦损失研究

随着海洋油气资源不断开发,非黏结柔性立管的应用也越来越广泛。当水面上吊装柔性立管的船舶发生不规则运动时,连接在船舶下部的柔性立管会承受变化的轴向载荷。骨架层作为非黏结柔性立管最内层结构,由于其几何形状的特殊性,在外载荷作用下相邻表面会出现接触从而引起摩擦。鉴于此,针对骨架层螺旋带结构建立相应的骨架层力学计算模型,对骨架层施加变化的轴向力,借助ABAQUS有限元软件分析骨架层在变化轴向力作用下应力应变和不同情况下的摩擦损失。当摩擦因数在0.15~0.20区间内时,摩擦力做功最大;当摩擦因数大于0.25时,摩擦力做功随着摩擦因数的增加逐渐减小;对骨架层施加径向外压在5 MPa以内时,其外部压力变化对摩擦力做功没有太大影响;摩擦损失因子随着摩擦因数增大而逐渐增大,当摩擦因数大于0.20时,摩擦因数的变化对摩擦损失因子改变影响较小。研究结果可为骨架层端部失效及工程设计制造时的强度计算提供依据。     

含局部减薄缺陷管道的极限载荷与安全评定

运用正交实验设计和弹塑性有限元分析相结合的方法 ,对含局部减薄缺陷压力管道的极限载荷进行了研究 ,分析了局部减薄缺陷对管子极限载荷的影响因素。研究结果表明 ,缺陷的深度是管子极限载荷 (内压和弯矩 )的主要影响因素 ,而缺陷的周向长度和轴向长度分别对管子的极限内压和弯矩的影响较小。据此研究结果 ,提出了含局部减薄缺陷压力管道在内压和弯矩联合作用下的安全评定方法     

高强灌浆材料结合卡箍在导管架受损构件加固中的应用

以南海某海域一施工船与四桩导管架基础发生碰撞为背景,结合当前研究对导管架受损区域的承载力进行分析,计算得到受损截面凹陷处的轴向承载力和极限弯矩。简述海洋工程领域中受损构件的加固修复方法,探讨卡箍技术的理论研究现状及其在实际工程中的应用现状。基于典型灌浆卡箍修复技术提出一种采用80 MPa高强度灌浆材料结合卡箍技术进行加固修复的新方案,并采用有限元软件对加固后的组合结构进行数值模拟。仿真结果表明,该组合结构可有效改善导管架受损区域受力状况,提高结构的承载力。简述该方案的施工流程,以期为实际工程提供参考。     

连续管旋转接头密封性能及其影响因素分析

连续管旋转接头可实现高压动密封功能,该结构的密封元件由多个V型橡胶圈构成。连续管旋转接头密封性能不稳定、V型圈寿命低等问题制约了连续管正常作业,易出现重大安全隐患。采用有限元法,研究了V型橡胶圈材料性能、摩擦因数、工作介质压力等参数对密封性能的影响。研究结果表明:V型圈在介质压力作用下能够形成稳定可靠的密封; V型圈密封副的摩擦因数以及材料硬度对密封性能和摩擦磨损性能有显著影响,聚氨酯和丁腈橡胶材料硬度相同,均为85 HA或90 HA。适当降低密封副的摩擦因数,可提高V型橡胶圈的密封性能和摩擦磨损性能; V型橡胶圈在10 MPa以上介质压力作用下变形达到稳定,轴向压缩量在0.9～1.0 mm。研究成果可为连续管旋转接头方案设计提供一定的指导意义。     

输油管道盗孔结构修复应力分析及结构优化设计

为了有效快速地修复输油管道盗油孔,建立了长距离油气管道有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件对盗孔修复整体结构进行优化设计、耦合场分析及修复等系统化的仿真模拟。结果显示,盗孔及焊帽修复主要对盗油孔局部存在影响,结构改变造成应力集中,最大应力发生在孔的内边缘;补板修复方法最大应力发生管体开孔边缘处。研究结果表明,对于单一的盗孔,在相同压力下,补板修复方式产生的焊接残余应力最小,危险区数量最少,结构最为安全,是相对较好的盗孔缺陷修复方法。     

径向水平井弯曲转向机构影响因素仿真研究

针对径向水平井钻进中钻杆弯曲转向前进运动困难的问题,通过建立弯曲转向机构仿真有限元模型,对其主要影响因素:滑道轨迹曲率、间隙、工作压力、滚轮形状与位置和钻杆壁厚等用ANSYS软件进行仿真研究。研究表明:影响截面变形的主要因素是滑道曲率的改变和滑道摩擦因数,钻井失败时钻杆所受阻力的增大不是因为升高工作压力导致截面变形过大与滑道干涉所致,钻杆经校直段,钻头中轴线与校直中心线存在一定的角度,即钻杆的前进轨迹就会偏离理论值,或与地层干涉,或可能再次发生弯曲变形;另一主要原因是转向器滑道工作恶化。增加钻杆壁厚,降低工作压力和滑道摩擦因数,设计合理弯曲转向机构是解决问题的关键。     

隔水管接头密封圈有限元分析

针对海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度增加导致钻井液压力急剧增大的问题,对隔水管接头密封展开研究。以隔水管接头主管和辅助管线密封圈为研究对象,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立其密封有限元模型,对密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况进行了分析研究。结果表明,随着工作压力的增加,主管和辅助管线密封圈的接触应力都相应增加,辅助管线密封的应力峰区位置随工作压力的变化而变化;随着工作压力的增加,密封圈的最大剪切应力增大。分析结果可为隔水管接头密封圈的优化设计提供参考。     

煤层气欠平衡钻井旋转控制头胶芯密封特性分析

旋转控制头胶芯的密封性能是影响煤层气欠平衡钻井施工效果的重要因素。根据煤层气钻井工况,对井口偏心工况、起钻和钻进工况下,旋转控制头胶芯和钻具间的接触压力进行了有限元模拟研究,并分析了胶芯不同结构参数对胶芯密封性能的影响,为煤层气钻井低压密封胶芯的优化设计和研制提供了依据。结果表明:胶芯与钻具间的接触压力随偏心距的增大而增大,且靠近偏心侧的接触压力较大;钻进工况下,钻具本体和接头部分的接触压力都明显小于起钻工况;接触压力随外锥角的减小而增大,随内锥角的减小而减小,但变化量较小;摩擦力随主密封段长度的增加呈线性增加,钻杆接头部分明显大于本体。现场应用实践验证了分析结果的正确性。     

套管修复轴向穿透裂纹管道极限载荷研究

利用套管包覆缺陷是修复缺陷管道常见的方法之一。利用弹塑性有限元分析方法,对用套管修复轴向穿透裂纹管道的结构进行了有限元计算。采用极限载荷系数p衡量结构的极限承载能力,对其影响因素进行了研究。研究结果表明,p与套管位置有关,p随套管壁厚和套管宽度的增加而增加。给出了不同形式下套管修复轴向穿透裂纹管道的推荐参数,可为工程实际应用提供一定的支持。     

钢质环氧套筒轴向修复效果研究

为了研究钢质环氧套筒对于含缺陷油气管道的轴向修复效果,对X52钢级Φ508 mm×9.5 mm含缺陷螺旋埋弧焊管的钢质环氧套筒修复结构开展了全尺寸轴向拉伸试验,通过应变监测及理论计算分析钢质套筒与管体的应力分布情况。结果显示,修复后的管体最大轴向拉力为3 854 kN,约为无缺陷钢管理论轴向承载力的50%;失效位置位于缺陷最深处,失效时,管体无缺陷处尚未进入屈服阶段;在纯拉伸作用下,钢质套筒承担的轴向载荷仅占总载荷24.5%。研究结果表明,钢质环氧套筒对于管道轴向应力修复效果有限,不建议采用钢质环氧套筒作为环焊缝或管体环向缺陷的修复手段。     

膨胀套管摩擦系数与轴向位移的模拟研究

用弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀套管膨胀过程的力学模型 ,对N80钢级材料的 114 3mm套管膨胀至 139 7mm进行了膨胀过程详细的计算机模拟研究 ,给出了摩擦系数为0、 0 1和 0 15时 ,膨胀套管轴向位移随活塞位移变化的定量曲线。在大量数值模拟的基础上 ,得出了膨胀套管轴向位移δy 随摩擦系数f变化的具体表达式 ,即δy=- 33893f3 + 4 40 0f2 -4 88 6 7f + 78 2。根据活塞移动的位移 ,反算出了活塞上压力p与摩擦系数f的定量关系 ,即p =5 91 92f + 2 9 6 0 4。得出摩擦系数为 0时 ,膨胀套管处于收缩状态 ,其收缩量为 78 2mm ;当摩擦系数为 0 14时 ,膨胀套管无轴向位移 ,此值是套管收缩和伸长的临界点