方钻杆旋塞阀本体的有限元分析与研究
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摘要
在钻井工程中,井喷作为一种恶性事故已经受到人们的普遍关注。它不仅严重影响了生产,还造成人力、物力和财力的巨大损失。钻柱内防喷系统,就是预防及处理钻柱内井喷的配套系列产品。目前,针对内防喷系统中重要工具之一的旋塞阀的研究还很薄弱,因此,展开对旋塞阀的全面研究具有重要的理论意义和工程意义。
现场调查和资料的收集表明,尽管方钻杆旋塞阀在现场得到了广泛应用,但有些并没有达到预期的效果。本文以STXS135型旋塞阀为研究对象,首先从结构特点、材质、工作机理、失效原因等方面进行综合分析,在此基础上,利用机械自动化软件Pro/E完成了对旋塞阀各个零件的三维几何实体建模,并根据各个零件的具体约束关系完成了STXS135型旋塞阀的总体装配。
旋塞阀本体的断裂问题,一直困扰着生产商和用户。本文针对这一问题进行了详细论述,在不同的工作载荷下对旋塞阀本体进行力学理论分析,探讨本体的应力集中问题,并运用ANSYS软件,建立阀本体的有限元模型,分别对本体在拉、扭、内压等多种载荷下的本体强度详细分析。采用双线性随动强化模型准则,充分考虑了材料的塑性特性。找出了阀本体应力集中的主要原因,提出改进建议,这些研究工作将为旋塞阀的改进研制提供具有参考价值的理论依据。
Well blowout is a serious accident for oil and gas development, it not only influences production seriously but also brings about the enormous losses of manpower , material resources and financial resources. Blowout preventer internal drill string is the related series of production which prevent and deal with blowout. At present, the research for Kelleyguard which is important tool in blowout preventer internal drill string is weak, so the overall research for the Kelleyguard has both theoretical and engineering significance.
Investigation and the materials of collection indicate that though the Kelleyguard is used widely in practice, some have not reached the anticipated result. The research object of this paper is STXS135 type Kelleyguard. Firstly, we have analysed synthetically such respects as structure characteristic ,material, working mechanism, failure reason ,etc. Then, we have set up the three-dimensional entity's model of its part on the basis of analysis by utilizing the mechanical automatic software Pro/ENGINEER, and finished the global assembly of STXS135 type Kelleyguard according to its concrete constraint.
The fracture question of the valve body has been perplexing the manufacturer and user. This paper describes the question in detail, carries on the analysis of theory of mechanics for the valve body under different working loads and probes the stress concentration for the valve body. This article also sets up the finite element model of the valve body with ANSYS software, analyses in detail about the intensity of valve body under many kinds of loads such as pulling, torsion, internal pressure. In this paper, Bilinear following intensified model is adopted and the plasticity characteristic of the material is fully considered. Finally, the main reason of stress concentration of valve body is found out and the improving suggestion is offered. The research work will supply the theoretical supervise worth consulting for improving and developing the Kelleyguard.
现场调查和资料的收集表明,尽管方钻杆旋塞阀在现场得到了广泛应用,但有些并没有达到预期的效果。本文以STXS135型旋塞阀为研究对象,首先从结构特点、材质、工作机理、失效原因等方面进行综合分析,在此基础上,利用机械自动化软件Pro/E完成了对旋塞阀各个零件的三维几何实体建模,并根据各个零件的具体约束关系完成了STXS135型旋塞阀的总体装配。
旋塞阀本体的断裂问题,一直困扰着生产商和用户。本文针对这一问题进行了详细论述,在不同的工作载荷下对旋塞阀本体进行力学理论分析,探讨本体的应力集中问题,并运用ANSYS软件,建立阀本体的有限元模型,分别对本体在拉、扭、内压等多种载荷下的本体强度详细分析。采用双线性随动强化模型准则,充分考虑了材料的塑性特性。找出了阀本体应力集中的主要原因,提出改进建议,这些研究工作将为旋塞阀的改进研制提供具有参考价值的理论依据。
Well blowout is a serious accident for oil and gas development, it not only influences production seriously but also brings about the enormous losses of manpower , material resources and financial resources. Blowout preventer internal drill string is the related series of production which prevent and deal with blowout. At present, the research for Kelleyguard which is important tool in blowout preventer internal drill string is weak, so the overall research for the Kelleyguard has both theoretical and engineering significance.
Investigation and the materials of collection indicate that though the Kelleyguard is used widely in practice, some have not reached the anticipated result. The research object of this paper is STXS135 type Kelleyguard. Firstly, we have analysed synthetically such respects as structure characteristic ,material, working mechanism, failure reason ,etc. Then, we have set up the three-dimensional entity's model of its part on the basis of analysis by utilizing the mechanical automatic software Pro/ENGINEER, and finished the global assembly of STXS135 type Kelleyguard according to its concrete constraint.
The fracture question of the valve body has been perplexing the manufacturer and user. This paper describes the question in detail, carries on the analysis of theory of mechanics for the valve body under different working loads and probes the stress concentration for the valve body. This article also sets up the finite element model of the valve body with ANSYS software, analyses in detail about the intensity of valve body under many kinds of loads such as pulling, torsion, internal pressure. In this paper, Bilinear following intensified model is adopted and the plasticity characteristic of the material is fully considered. Finally, the main reason of stress concentration of valve body is found out and the improving suggestion is offered. The research work will supply the theoretical supervise worth consulting for improving and developing the Kelleyguard.
引文
[1](美)哈利伯顿公司IMCO培训中心编.孙振纯、鲍有光译.井控技术.北京;石油工业出版社,1986.
[2]张建诺.钻柱内防喷系统.石油机械.1990,(3);1-3.
[3]鄢捷年.钻井液工艺学.东营;石油大学出版社,2001.
[4](美)W.C.高因斯著.郝俊芳、李自俊译.防止井喷.北京;石油工业出版社,1981.
[5]易先忠.国外钻柱构件的技术水平与新发展.国外油气科技,1994,9第3期.
[6]Composite Catalog of Oil Field Equipment and Services 1998-1999.
[7]张毅、宋冶等.关于钻铤、方钻杆、接头材料要求冲击功54J的必要性.石油工业标准与计量.1991,2第1期;31-37.
[8]章华友、晏泽荣、陈元芳、袁玉求.球阀设计与选用.北京科技出版社,1994.
[9]杜晓瑞、王桂文、王德良、赵炎.钻井工具手册.北京;石油工业出版社2000.
[10]中华人民共和国石油天然气行业标准.旋转钻井设备上部和下部钻杆旋塞阀.中华人民共和国能源部,1993.
[11]王文东、师延龄.聚四氟乙烯复合材料与弹性体的组合应用.有机氟工业2005,(1);11-14.
[12]卢黎明.0形密封圈的压缩率对其密封性能的影响.华东交通大学学报,2003第2期第20卷;9-11.
[13]王瑞和.钻井工艺技术基础.东营;石油大学出版社,1995.
[14]王世宏、冯耀荣.方钻杆上部旋塞阀失效分析及其改进建议.石油工业技术监督,1997年第7期第13卷;1-6.
[15]杨道明、朱勋、李紫桐.金属力学性能与失效分析.北京;冶金工业出版社,1991.
[16]孙智、江利、应鹏展.失效分析——基础与应用.机械工业出版社,2005.
[17]Miner M A.Cumulative damage in fatigue.JAppl Mech,1945,12(3);A159-A164.
[18]Palmgren A.Die Lebensdauer von Kugellagem.Verfahrenstechinik1924,12(3);339-341.
[19]王玉武、穆宗哲、赵德云.深井钻具失效的机理与预防.油气田地面工程,第24卷第3期.
[20]称传芜、高大兴.疲劳断裂基础.武汉;华中理工大学出版社,1989.
[21]李鹤林、李平全、冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防.北京;石油工业出版社,1999.12.
[22]冯耀荣、李京川、李鹤林.钻杆接头的技术标准与用钢及热处理工艺.石油机械,1998第26卷第3期;42-44.
[23]朱建军、李保康.钻杆接头用钢37CrMoE的试验研究.石油机械,2004第32卷第11期;3-6.
[24]林清安著,北大宏博改编.Pro/ENGINEER 20001零件设计——基础篇(上).北京;北京大学出版社,2001.
[25]刘竹清编著.Pro/E Wildfire入门与提高实用教程.北京;中国铁道出版社,2003.
[26]刘希圣.钻井工艺原理(上).石油工业出版社,1981.
[27]石缨.中高压球阀球体开平衡孔的研究.阀门,1997,4.
[28]林清安著.北大宏博改编.Pro/ENGINEER 20001零件组合.北京;北京大学出版社,2001.
[29]杨代蓉、姜春堂.顶驱钻机内防喷阀存在问题及改进措施.河南石油,2004年第18卷增刊;80-81.
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[31]毕继红、王晖.工程弹塑性力学.天津大学出版社,2003.
[32]徐秉业、刘信声.应用弹塑性力学.北京;清华大学出版社,1995.
[33]邵国华、魏兆灿.超高压容器.北京;化学工业出版社,2002.
[34]王心明.工程压力容器设计与计算.国防工业出版社,1986.
[35]杨伯源、张义同.工程弹塑性力学.北京;机械工业出版社,2003.
[36]航空工业部科学技术委员会.应力集中系数手册.科学教育出版社,1990.
[37]王霞、张世有.关于在筒体上开椭圆形孔的简化应力分析.中国科技信息,2005,(8);121.
[38]张允真、曹富新.弹性力学及其有限元法.北京;中国铁道出版社,1983.
[39]ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide.ANSYS Inc.
[40]郭乙木、陶伟明、庄茁.线性与非线性有限元及其应用.机械工业出版社,2004.
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[42]龚曙光.ANSYS基础应用及范例分析.北京;机械工业出版社,2003.
[43]宋勇、艾宴清、梁波等.精通ANSYS7.0.北京;清华大学出版社,2003.
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[46]赵升吨、张辉、柳伟、化春键.棒料热应力预制V型槽尖端理想裂纹的可行性研究.塑性工程学报,第13卷第5期.
[47]晏祥慧、齐明侠、陶云双.闸板防喷器壳体非线性有限元分析.石油矿场机械,2006,35(6);30-32.
[48]刘国庆、杨庆东.ANSYS工程应用教程——机械篇.北京;中国铁道出版社,2002.
[49]李竞、李小平、陈宏滨.运用ANSYS软件对注塑机调模板进行有限元分析.机械设计与制造,2003,(3);60-61.
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