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摘要三通作為高壓管彙中的關鍵部件,在實際使用中經常出現刺裂現象。為了驗證三通設 計的合理性及安全性,對90°鑄鋼異徑三通在額定工作壓力和靜液壓試驗壓力工況下,進行了有 限元分析計算。按照ASME規範應力分析法分析了其應力類别及應力組合,證明有高應力區存在。 改進模型結構後重新進行了有限元分析計算,并采用ASME規範分别就額定工作壓力和靜液壓試 驗壓力條件下的強度進行了校驗,分析結果完全滿足規範要求。
關鍵詞異徑三通ANSYS有限元分析
 
高壓管彙在鑽井液循環系統中承擔着向井下輸 送高壓鑽井液的重任,它承受壓力高達35 ~ 70 MPa強腐蝕性介質的沖刷,加上鑽井泵排量與壓力 的波動對管彙造成的振動,其工況十分惡劣。三通 是高壓管彙中的一個關鍵部件,使用中常出現刺裂 現象。三通從加工方法上主要分為鑄造和鍛造2 種,鑄造三通成本較低,但力學性能較差;鍛造三 通力學性能較好,但加工成本高,制造周期長。
 
為了降低成本,保證鑄造三通設計的合理性和 使用的安全性,在尚沒有專門設計計算規範的情況 下,采用有限元分析計算非常重要。鑒于此,筆者 對90°鑄鋼異徑三通進行了有限元分析計算,給出 額定工作壓力和靜液壓試驗壓力條件下的單元應力 數值及雲圖,并按照ASME《鍋爐及壓力容器規 範》第8卷第2分冊對有限元結果進行了分析和強 度驗證提出結構改進意見。通過計算驗證, 改進後的三通完全滿足規範的要求。
 
90°鑄鋼異徑三通的有限元計算
 
1.材料性能參數 t
 
異徑三通的原用材料為ZG270 - 500,其力學 性能參數如下。
工作載荷試驗載荷校驗分析
 
彈性模量 E: 2.02 x 105 MPa;
 
泊松比At: 0.3;
 
延伸率S: >18% ;
 
屈服極限A: ^270 MPa;
 
強度極限A:彡500 MPa。
 
2.有限元模型
 
筆者采用Pro/E建立了三維實體模型。為減少 計算工作量,沿3個通徑對稱面将其剖開,按其約 束及受力特征取其結構的M進行分析計算。
 
采用三維實體單元對該異徑三通的簡化實體模 型進行有限元網格劃分,并對承載面進行單元細 劃,共劃分單元26 450個、節點43 150個。有限 元模型見圖1。
圖1異後三通有限元模型
3.邊界條件
 
90°鑄鋼異徑三通有1個對稱面,且載荷也是 對稱分布。對模型進行計算時,在對稱面上施加面
 
4.載荷條件
 
對模型進行計算時,考慮2個受力狀态:
 
(1)在工作狀态下,額定工作壓力為35 MPa。
 
(2)在試驗狀态下,3個通孔均用密封盲闆覆 蓋,内腔加水壓至靜液壓試驗壓力70 MPa (2倍 額定工作壓力),殼體内腔受均布水壓載荷作用。
 
5.判定準則
 
根據ASME規範校驗部分的規定,應分别校驗 額定工作壓力和靜液壓試驗壓力條件下的強度是否 滿足要求。
 
工作壓力條件下應滿足以下要求:
 
Pm ^ (0
 
Pm + Pt ^ !• 5[o-] (2)
 
Pm + Pb + Q ^ 3[^] (3)
靜液壓試驗壓力條件下應滿足以下要求:
 
96cr, (4)
 
當在0. 67o-,時
 
Pm + Pb 務 1- 35<rs (5)
 
當0.67a <專0.9a時
 
Pm +Pb ^ 2. 35tr, (6)
 
其中--次薄膜應力;
 
pb--次彎曲應力;
 
Q——二次應力。
 
6.彈性分析計算結果
 
(1)在額定工作壓力狀态下,應力集中處單 元的第三強度應力最大值為1 097.4 MPa,單元應 力值見表1 (按等效應力值由大到小排列,取前5
 
個單元)。
表1額定工作壓力下的單元應力值
單元号 第一主應 力/MPa 第二主應 力/MPa 第三主應 力/MPa 第三強度 應力/MPa 第四強度 應力/MPa X坐标 位置/mm 7坐标 位置/mm Z坐标 位置/mm
17 918 1 105.7 278. 58 8. 354 8 1 097. 4 990. 29 38. 862 16. 168 0. 129 81
17 720 1 091.0 274. 11 9. 124 9 1 081.9 976. 76 39.132 16. 304 0. 150 42
3 033 1 099. 8 280. 78 19. 492 0 1 080. 3 976. 23 38. 502 15. 946 0. 087 01
17 718 1 084.4 270. 93 7. 266 4 1 077. 2 972. 52 39.452 16.454 0. 150 39
14 214 1 072. 2 266. 19 6. 190 2 1 066.0 962. 71 39. 740 16. 591 0. 178 95
 
(2)在靜水壓試驗壓力(70 MPa)條件下,MPa,節點等效應力雲圖見圖2,單元應力值見表 應力集中處單元的第三強度應力最大值為2 194. 7 2 (按等效應力值由大到小排列,取前5個單元)。
 
表2靜水壓試驗壓力下的單元應力值
單元号
第一主應 第二主應 第三主應 第三強度
 
力/MPa 力/MPa 力/MPa 應力/MPa
第四強度 X坐标 F坐标 Z坐标
 
應力/MPa 位置/ram 位置/mm 位置/mm
17918 2211.4 557. 16 16. 710 2 194. 7 1 980. 6 38. 862 16. 168 0.129 81
17720 2 182. 1 548. 22 18. 250 2 163. 8 1 953. 5 39.132 16. 304 0. 150 42
3033 2 199. 6 561.56 38.983 2 160.6 1 952. 5 38. 502 15. 946 0. 087 01
17718 2 168. 9 541. 85 14. 533 2 154. 3 1 945. 0 39.452 16. 454 0. 150 39
14214 2 144.4 532. 38 12. 380 2 132. 0 1 925. 4 39. 740 16. 591 0. 178 95
 
計算結果分析
 
1.彈性變形
 
從計算結果獲得了 90°鑄鋼異徑三通各部位沿
不同坐标方向的變形情況。在額定工作壓力下,單 元17918沿y方向的最大位移為0.09 mm,滿足設 計要求。
 
2.應力分析
 
通過對應力及應力雲圖的對比分析可知,該三 通存在2個較高應力區域,4區和B區,如圖2 所示。
 
根據ASME規範應力分類的理論⑴,三通受 内壓時,4區有凹曲的趨向,承受較大的拉應力, 且結構不連續,其最大應力點的應力是由一次薄膜 應力(Pm)、一次彎曲應力(A)、二次應力(Q) 和應力集中引起的峰值應力疊加而成;B區也有凹 曲的趨向,其最大應力點的應力是由一次薄膜應力 (pj、一次彎曲應力(pb)和二次應力(<?)疊加 而成。
 
 
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