双管采油井口装置大四通优化及疲劳分析

一 2 0 一 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 1 年第1 4 卷 双管采油井口装置大四通优化及疲劳分析 李斌 杨振东 蒲勇 西南石油大学机 电工程学院 四川 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 大四通结构是双管采油井口装置采油树的主要承压部件 在稠油开采的过程中 大四通易损坏 需要经常维修和 替换 增加了采油成本 本文利用P r o E q 维实体建模软件对大四通建立了三维模型 使用A N S Y S 有限元分析软件对大四通 进行有限元分析和优化设计 最后通过疲劳分析成功预测出大四通的寿命 结果显示 优化设计后的大四通的寿命有明显 的提 高 关键词 采油井口装置 大四通 结构优化 疲劳分析 双管采油井 口装置是稠油开采 的重要装置 主要由油管头 套管头和采油树三大部分组成 其 中大 四通结构是组成采油树 的主要部件 也是 整个采油井 口装置 的主要承压 部件 石油工业 的 快速发展对双管采油井 口装置的可靠性提 出了更 高的要求 从结构 的角度分析 主要是改进应力 集 中区域 的结构尺寸 并开展其疲劳寿命 的研 究 l大四通失效分析 从各个油 田现场的使用情 况来看 双管采 油 井 口装置的大 四通 结构是最容易破坏的 通 常情 况下 大四通 内侧 十字相贯线 的地方会 出现 疲劳 破坏 导致整个装 置失效 通过计算发现 十字 相贯线处的应力值 最大 是导致大 四通失效的主 要原 因 所 以通过对十字相贯线等局部地方结构 尺寸 的改变 减小应力集 中 提 高大 四通 的使用 寿命 2有限元分析 及优化设计 2 1 建立模型 运用P r o E 建立大四通的三维实体模型如图l 所 不 o 2 2载荷工况分析 大 四通 的设计额定工作压力为2 1 MP a 作用 在大四通上的5 个载荷分别为 2 1 MP a 内压 M3 0 螺栓拉力 钢 圈顶 紧力 M2 4 螺栓拉力 上法 兰 压力 有关载荷的计算如下 根据 阀门设计计算手册 钢圈在预紧状态下 需要的压紧力按下式计算 FG 代DG By 式 中 为钢 圈压紧力作用 中心 圆直径 图1大四通模型 为钢 圈有效密封宽度 B 8 为椭 圆形钢 圈 的环厚 查标准取 1 l mm y表示钢 圈比压 查手 册取1 5 0 3 MP a 由上式求得下法兰钢 预紧力为 1 2 4 7 3 5 KN 侧法兰钢圈预紧力5 6 8 1 6 K N 预紧 状态下螺栓的预紧力等于钢 的预紧力 所 以下 法兰每个螺栓的作用力为1 5 5 9 2 KN 侧法兰每个 螺栓的作用力为9 4 6 9 K N M3 0 螺栓承受拉力为 Q P S 2 1 x x 2 6 9 9 5 5 7 每个螺栓上所受的拉力约为8 7 4 4 5 KN M2 4 螺栓总拉力为 F P S 2 1 7 c f 1 1 0 0 29 4 KN 2 每个螺栓 上所受 的拉力约 为1 6 7 1 5 KN 工作 时 螺栓上的作用力 为预紧力与工作时产生