平封头双开孔接管结构有限元应力分析

平封头开孔接管区结构不连续,应力分布复杂,导致局部应力集中。利用有限元软件ANSYS,采用线弹性分析方法和极限载荷分析方法对平封头双开孔接管结构进行计算分析,将接管轴向拉力、轴向推力分别与内压耦合,得到了平封头双开孔接管结构应力分布及变化规律。计算分析结果表明,接管轴向拉力使平封头双开孔接管连接区弹性应力变大,应力集中程度提高,降低了平封头双开孔接管连接区的极限承载能力;接管轴向推力使平封头双开孔接管连接区弹性应力变小,提高了平封头双开孔接管连接区的极限承载能力。     

接管轴向载荷对内压圆筒强度性能的影响

采用有限元方法分析了接管轴向载荷对内压作用下开孔-接管区各个截面的弹性应力集中、应力分布以及结构的塑性极限内压的影响规律。分析结果表明,接管轴向载荷对内压圆筒弹性应力分布、内压承载能力有一定的影响,轴向载荷使横向截面最大应力出现的位置不断变化;轴向推力能减小应力集中系数和增强开孔-接管区的承载能力,轴向拉力能增大应力集中系数和降低开孔-接管区的承载能力。     

烟气脱硫吸收塔现场大开孔的安全性分析

以某公司催化裂化装置烟气脱硫吸收塔(吸收塔)现场大开孔为例,介绍了在大开孔后吸收塔塔体重心发生偏移的情况下,重力载荷、偏心载荷、风载荷、地震载荷对开孔截面的影响,并对吸收塔现场大开孔的安全性进行了理论分析.分别选取两个风向(风沿着y,x轴方向)作为危险工况,计算两种工况下的抗弯截面系数,对两种工况下弯矩产生的轴向应力和稳定性进行校核计算.结果表明:该截面圆筒在工况1下产生的轴向拉应力σ和轴向压应力σ’分别为21.38,45.50 MPa,工况2下产生的σ和σ’分别为16.76,40.88 MPa,4种结果均小于对应塔体材料许用应力值115.44 MPa和许用压应力值178.50 MPa,说明该塔体开孔剩余截面的强度足够,即理论上现场大开孔是安全的.但由于现场实际施工情况复杂,开孔前仍需在开孔塔壁处采取有效的加强措施.     

全通径滑套球座打捞机构关键技术研究

球座可提出式全通径滑套可通过球座打捞机构将各级球座一次提出井口,实现管内全通径,要求球座打捞机构轴向插入载荷小,承载能力强。为此,设计了新型高承载球座打捞机构,采用理论计算和有限元分析方法,分析了齿根面锥度和承载面角度对轴向插入载荷和承载能力的影响规律,并确定了最优参数。分析结果表明,与常规球座打捞机构相比,新型高承载球座打捞机构轴向插入载荷降低了75%,当齿根锥度为1:16时,轴向插入载荷约为2 kN,轴向极限抗拉强度达到500 kN。当承载面角度小于90°时,随着齿根锥度增大,球座打捞机构的轴向承拉能力随之增强,轴向插入载荷随之降低。高承载球座打捞机构模拟入井试验一次打捞成功,表明高承载球座打捞机构能满足现场应用要求,为提高球座打捞成功率提供了新的技术途径。      

螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进

针对螺杆钻具向心推力球轴承寿命短的问题,分析了其载荷特性和服役情况,依据Hertz接触理论,利用有限元数值模拟技术建立了球轴承接触模型,计算了球轴承的应力情况。对承受轴向载荷的圆柱滚子轴承进行了有限元分析,结果表明,在同等条件下圆柱滚子轴承比球轴承的工作应力大幅降低。为此,建议组合使用球轴承和圆柱滚子轴承,以延长螺杆钻具推力轴承的使用寿命;建议螺杆钻具配套使用减振工具或优化BHA及钻井参数,通过减少轴向负载的波动量,延长轴承的疲劳寿命。     

海上风电开孔单桩承载特性数值模拟

为分析开孔对单桩基础水平方向和轴向承载特性的影响规律,采用Abaqus数值分析软件建立大直径单桩基础桩身开孔数值模型。结果显示：桩身开孔对大直径单桩基础的水平承载特性有一定的影响,当水平载荷为1 050 kN时,开孔桩桩顶的水平位移为0.030 m,无孔桩桩顶的水平位移为0.026 m,两者相差13.3%;桩身开孔对大直径单桩基础的竖直承载特性影响不明显,当轴向载荷小于12 000 kN时,开孔对桩的竖直承载特性的影响可忽略不计;桩身开孔导致应力集中现象,竖直载荷和水平载荷作用下的应力集中系数分别为4.2和1.1。研究成果可为海上风电施工建设提供参考依据。     

在役海洋修井机底座承载能力评估技术研究

为弥补当前海洋修井机底座承载能力评估技术的不足,提出了综合运用缺陷等效处理和有限元分析技术的在役海洋修井机底座承载能力评估技术,并通过某平台修井机底座承载能力分析实例对评估技术进行了验证。该方法采用截面锈蚀等效截面法和杆件初始弯曲等价应力法处理缺陷对底座承载的影响,并将处理结果应用于有限元分析中。实例分析结果表明,在各种工况下底座轴向强度均满足工作要求,但在最大立根载荷工况下各位置底座承载能力不足。现场实测的轴向应力值与有限元分析结果基本相同,这说明所提出的修井机底座承载能力评估理论合理。     

石油钻井工具用非标碟簧力学特性研究

石油钻井工具常使用非标碟形弹簧缓冲振动,基于大变形弹塑性理论,使用有限元法分析了118 mm非标碟簧在加载过程中的力学特性。分析结果表明,随碟簧压缩位移增加,VonMises应力、周向应力、轴向应力、轴向变形量、周向变形量和厚度t轴向变形量呈非线性增大趋势。压缩位移小于2.5 mm时,碟簧未出现塑性变形;压缩位移为2.5 mm时,周向应力、轴向应力、轴向变形量和厚度t轴向变形量剧增,且碟簧发生塑性变形。对碟簧进行了刚度试验,压缩位移小于0.47 mm时碟簧刚度约为0.66 kN/mm,压缩位移大于0.47 mm时碟簧刚度值约为2.74kN/mm。结合数值模拟结果,建议单片碟簧的工作载荷应小于6.02 kN。该项研究结果表明,有限元法和碟簧刚度试验测定相结合,可以分析非标碟簧的工作力学特性,确定非标碟簧的最大工作载荷,为其科学使用提供依据。     

枯竭油气藏地下储气库套管柱水泥环强度分析

在储气库技术研究中,对套管柱的受力情况进行研究十分重要。利用解析法建立地下储气库套管柱力学模型,分别分析套管柱在内压及外挤载荷、温度载荷和轴向载荷作用下的环向、轴向和径向应力,将各种载荷引起的应力及位移叠加,计算套管柱的受力情况,并通过实例来分析水泥环特性对套管受力及水泥环三向应力的影响。结果表明,套管在注气工况下受力较大,套管应力随水泥环弹性模量的增大而逐渐减小,当水泥环弹性模量增大到一定值时套管应力减小不明显,而水泥环的受力却不断增大;水泥环弹性模量太大时会增加水泥环的各向应力。     

塔设备大接管现场改造若干问题

从设计、焊接、热处理和耐压试验等方面对CO2汽提塔大接管改造中遇到的问题进行了探讨,改造接管部位最危险工况为内压＋重力载荷＋开孔面法线方向风载荷组合工况,此工况下大开孔和不规则补强应力校核满足JB4732—1995（（钢制压力容器——分析设计标准》要求。采用回火焊道技术并在焊接时采用专用夹具和优化的焊接顺序施焊,有效地降低了焊接残余应力。改造中严格执行改造工艺,在满足汽提塔结构强度和密封性的前提下免除了水压试验。改造后设备运行平稳,质量良好。     

液压加固补贴对破漏套管的仿真研究

针对胜利油田长距离套管损坏井连续破漏及管体刺漏等套管失效工况,以∅139.7 mm×7.72 mm的N80套管为例,借助于ABAQUS有限元软件建立了破漏套管经液压加固补贴后的有限元模型,并对套管组合体模型的承载极限进行了定量分析。研究结果表明:破漏套管表面裂缝的存在对套管组合体承受外挤工况的影响较大,而对组合体承受轴向拉力、轴向压力以及内压等工况的影响甚微;当破漏套管最小裂缝宽度小于2.5 mm时,经液压加固补贴后的组合体在轴向拉力、轴向压力、内压以及外挤等4种载荷工况下的承载极限均高于无损套管的承载极限,满足现场工况要求;而当最小裂缝宽度大于6.5 mm时,补贴后的套管组合体承受的极限外挤载荷小于63.4 MPa,抵抗极限外挤的能力有所降低;通过更改补贴管材质,可明显提高补贴组合体在内压及外挤工况下的极限承载能力。研究结果对现场施工作业具有一定的指导作用。     

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。     

典型工况下完井管柱伸缩管力学分析及安全性评价

为减小深井超深井管柱轴向拉力,降低安全系数,常需要在管柱中配置伸缩管,但在进行管柱强度校核时伸缩管处常会出现安全系数突变,由于对其本体缺少力学分析方法,无法对管柱安全作出准确判断,影响试油完井管柱的安全性。应用有限元分析软件建立伸缩管全尺寸有限元模型,分析了坐封、射孔、压裂、开井、关井工况下和极端工况下伸缩管的载荷及应力,给出了5种典型工况对应的极端工况下的伸缩管最大载荷。依据拉梅公式和强度理论,推导得到在复杂载荷下的伸缩管强度计算方法,求得在典型和极端工况下的伸缩管应力值。结果表明:在深井超深井中,压裂工况下伸缩管应力值最高,是最不利工况;坐封、射孔、开井、关井工况下,伸缩管的安全系数通常在1.35以上。得到了5种典型工况对应的极端工况下伸缩管内外压和轴向力组合,提供了实际施工应避免的载荷组合模板。理论分析无法考虑伸缩管键槽的存在,也无法考虑应力集中的影响,理论分析得到的应力较数值分析低15%左右。建立的典型工况下伸缩管的安全评价方法为伸缩管及其对管柱的安全影响分析提供了理论支持。     

基于非线性屈曲分析的井架承载能力评估方法

介绍了井架承载能力的评估方法,分析了小井架轴向载荷与一阶固有频率平方之间的关系,认为在轴向载荷较小时结构的非线性程度较低,可以忽略非线性的影响,但是当轴向载荷接近临界载荷时其非线性程度不能忽略,需要用非线性屈曲分析来获得结构的临界载荷。为此,提出了一种基于非线性屈曲有限元计算与模态试验相结合的井架承载能力评估方法,即利用模态试验结果对有限元模型参数进行修正,通过ANSYS的非线性屈曲分析功能确定井架结构的临界载荷。计算结果表明,基于模态试验修正后的有限元计算结果更接近结构的实际临界载荷。     

球形储罐的应力分析

随着球形储罐的建造规格向大型化发展,其材料用量和球壳板尺寸规格也越来越大,由此增加了球壳板在压制、运输、现场吊装及焊接等一系列建造难度。因此,大型球罐在结构、载荷等方面的本质安全要求更高的情况下,需要按照分析设计方法进行球罐的设计。通过全面的分析总结,对涵盖所有载荷组合形式的球罐4种载荷工况和2种结构模型进行整体应力计算,分析了各种载荷工况下球罐的受力状况,重点分析了支柱与球罐连接部位的应力情况。结论是:应力计算要考虑所有可能的载荷组合工况;计算载荷时要分别建立"对中模型"和"跨中模型";最大应力是在支柱与球罐连接处,要尽可能圆滑过渡,有限元应采用六面体单元分析。     

特殊螺纹气密封性数值模拟

利用ANSYS软件,以BGT1螺纹和FOX螺纹为研究对象,对不同轴向拉载荷作用下特殊螺纹的Von Mises应力及接触应力进行数值模拟研究。结果表明:特殊螺纹公扣密封面及母扣管体大端Von Mises应力较高,容易发生塑性变形,在相同轴向拉载荷条件下,FOX螺纹较BGT1螺纹更易发生塑性变形;随着轴向拉载荷增加,BGT1螺纹和FOX螺纹的接触长度不变,密封面上接触应力逐渐减小,气密封性能降低;在相同工况条件下,FOX螺纹的气密封性能优于BGT1螺纹,且相对于BGT1螺纹,FOX螺纹气密封性能受轴向拉载荷影响较小。     

涡动条件下钻柱的屈曲分析

建立了涡动条件下钻柱屈曲的平衡方程。在弯曲挠度为小变形和钻柱中轴向力为0的条件下,采用理论方法分析了钻柱的弯曲挠度、屈曲应力随转盘转速变化的情况。当涡动速度增加导致钻柱的弯曲挠度增加和钻柱中存在轴向力时,钻柱的弯曲挠度以及交变应力的大小就需要通过非线性有限元来进行分析。使用非线性有限元方法求解了不同轴向拉力条件下钻柱的弯曲挠度、最大应力、最小应力和应力幅度。计算结果表明,不考虑轴向力时,理论分析结果与非线性有限元分析结果精度较高且具有一致性;当钻柱中轴向拉力大于200 kN时,由涡动引起的交变应力对钻柱的影响可以忽略;适当增大钻铤长度可以减轻钻柱的疲劳失效。     

CDJY2500型五缸压裂泵泵头体力学特性分析

在压裂泵泵头体受力特性研究中,针对不同柱塞尺寸的泵头体在不同工况下的应力变化趋势研究还比较少。鉴于此,运用ANSYS Workbench软件,对4种不同结构的CDJY2500型五缸压裂泵泵头体,在多组内压载荷作用下的力学特性进行了数值分析。分析结果表明:泵头体排出工况的最大应力和应变总是大于吸入工况,在额定最大压力载荷140 MPa条件下,泵头体的最大应力为788. 76 MPa,小于其材料的屈服强度,其力学行为处于材料弹性变形阶段;在不同泵冲次作用下,相对于柱塞直径为95. 3 mm泵头体,其他3种结构的泵头体在最大应力上减小的平均值分别为15. 6%、42. 4%和52. 1%,最大总变形量减小的平均值分别为12. 9%、34. 7%和62. 7%;当泵冲次为115～200 min~(-1)时,泵头体最大应力与最大总变形量随泵冲次的增加而快速减小,当泵冲次在200～330 min~(-1)时,泵头体最大应力与最大总变形量随着泵冲次的增加而缓慢减小。研究结果可为泵头体的结构优化与改进提供基础数据。     

LNG储罐混凝土外罐稳定工况载荷及应力分析

LNG储罐结构复杂,构件种类多,受力复杂,分析极限工况下储罐各部位的应力分布,对于研究全容式混凝土LNG储罐失效具有重要的意义。为此,通过对储罐的罐顶结构简化,在考虑储罐受到的可变载荷的基础上,对罐体受力荷载系统进行了分类计算和等效处理,建立罐体承载能力极限状态下的罐顶结构载荷、预应力载荷及其他各类可变载荷的组合工况,并采用ANSYS软件建立简化后预应力混凝土外罐的1/4部分的有限元模型,通过结构化网格处理和易发生应力集中处网格加密处理,对罐体各类荷载进行了等效处理,分析了储罐在承载能力极限状态下的罐体温度和应力分布。结果表明:(1)空罐工况下罐顶处最大受压受拉应力发生在储罐承压环处,最大应变位于最大拉应力-2.81 MPa处;(2)空罐工况下承台最大压应力、最大拉应力均位于罐底部与承台连接处外缘,应变最大值也位于承台与罐底接触外缘,此部位易开裂;(3)空罐工况条件下只有罐顶部与承压环应力达到混凝土破坏极限,而储罐其余部位应力均在材料安全极限范围内;(4)满罐风载/雪载工况下,罐体混凝土墙在各部位均达到混凝土材料强度极限;(5)满罐风载/雪载工况下承台与罐底连接部位处于混凝土材料受拉应力状态,且拉应力强度远远超过强度极限,该部位小裂纹在一定条件下易发生裂纹扩展;(6)罐体在热角保护部位的压应力达到混凝土抗压强度极限。结论认为,该研究成果为全容式混凝土LNG储罐失效分析提供了理论参考。     

环焊缝余高及热影响区宽度对管道环焊接头轴向承载能力的影响

以OD559 mm×31.8 mm L485管道为研究对象,采用有限元方法研究了其环焊缝余高和热影响区宽度变化对熔化极气体保护焊(GMAW)环焊接头的轴向承载能力影响。研究结果表明,当环焊缝和母材是高强匹配时,GMAW环焊接头的轴向极限载荷和轴向平均应变随HAZ宽度增大而减小,失效位置由管体转移到热影响区。当HAZ宽度小于2 mm时,即使HAZ的强度比母材强度低20%,在拉伸载荷下环焊接头的轴向应变也主要发生在母材。环焊缝余高高度和宽度增加对GMAW环焊接头轴向极限载荷和轴向平均应变影响较小,但较大的焊缝余高高度和宽度会导致管道内壁根焊两侧附近产生较大轴向应力和应变而发生失效。