不压井装置承载结构应力分析及强度评价

高加强，李法成，姜富阳，刘巨保，罗 敏

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；

2.大庆油田装备制造集团研究院，黑龙江大庆163312） ①

不压井装置承载结构应力分析及强度评价

高加强1，李法成2，姜富阳1，刘巨保1，罗 敏1

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；

2.大庆油田装备制造集团研究院，黑龙江大庆163312）①

承载结构是不压井装置的关键部件之一，也是保证不压井装置能够正常工作的必要条件。根据承载结构的结构形式和承载特点建立了力学模型，对承载结构进行应力分析，并引入JB4732—1995标准中的应力分类方法，对承载结构进行强度评价，为复杂结构的强度评定提供参考。

不压井装置；承载结构；应力分析；强度评价

随着国内老油气田逐渐进入开采的中后期，传统的压井作业技术越来越不利于油气资源的可持续开发。不压井作业技术凭借其良好的安全性、可靠性、环保性和经济性在油田的应用越来越广泛［1］。随着不压井技术的深入研究，国内也开展了不压井作业装置的研制，并逐步推广应用，取得了一定的成果，带来了巨大的社会和经济效益［2－7］。承载结构是不压井作业装置的支撑基础，在工作中，不压井作业装置在起下油管时极容易发生局部塑性变形，导致承载结构失效。本文建立了不压井装置承载结构的力学模型，对其进行了应力分析，引入了JB4732—1995《压力容器分析设计标准》［8］中的应力分类方法，对承载结构进行了强度评价，为复杂结构的强度评定［9］提供参考。

1 承载结构力学模型的建立

根据现场工作中承载结构的承载特点建立力学模型时，将承载结构简化为一层平台结构、二层平台结构和支撑柱3大部件。其中一层平台结构包括一层平台板和一层平台法兰盘，二层平台结构包括二层平台板和液压缸法兰盘。

在建立承载结构力学模型时，假设各部件之间完全连接，故各部件之间的螺栓结构及螺栓预紧力作用都未予以考虑。不压井装置承载结构力学模型

如图1。

图1 承载结构力学模型

鉴于承载结构的特点，在建立相应力学模型时只考虑液压缸对承载结构的载荷作用。选取液压缸最大上提力作为承载结构的计算载荷，对承载结构进行计算。在计算过程中，将液压缸最大作用力转化为等效面载荷，平均施加到液压缸的截面上。承载结构各部件材料为Q235，材料力学性能参数如表1。

表1 Q235材料力学性能参数

2 承载结构应力分析

在最大上提力作用下，承载结构整体应力分布如图2，可知最大等效应力为391.0MPa，发生在一层平台上。

图2 承载结构整体应力分布

承载结构一层平台等效应力分布如图3，由图可知最大等效应力为391.0MPa，发生在一层平台板与一层平台法兰盘连接处。

图3 承载结构一层平台应力分

承载结构二层平台等效应力分布如图4，可知最大等效应力为262.4MPa，发生在二层平台板螺栓孔处。

图4 承载结构二层平台应力分布

承载结构支撑柱等效应力分布如图5，可知最大等效应力为142.2MPa，发生支撑柱根部。

图5 承载结构支撑柱应力分布

最大上提力下承载结构各部件应力计算结果如表2。

表2 最大上提力下承载结构各部件应力计算结果

3 承载结构强度评价

由表2可见，在最大上提力下承载结构各部件中，除支撑柱外，其他部件最大应力都大于屈服强度，故采用应力分类方法来进行强度分析。在不压井装置承载结构中，在一层平台板与法兰盘连接的最大等效应力处沿平板厚度方向定义应力线性化处理［10］路径A，应力线性化处理路径A分布如图6。在二层平台板螺栓孔最大等效应力处沿平板厚度方向定义应力线性化处理路径B，应力线性化处理路径B分布如图7。

图6 应力线性化处理路径A分布

图7 应力线性化处理路径B分布

在最大上提力下，路径A各向应力沿路径分布如图8，可得路径A上的主要应力为由弯曲引起的x方向应力，并且沿厚度方向上由表面向中间急剧减小。路径A应力线性化处理结果如图9，可得应力线性化处理路径A的薄膜应力为97.2MPa，薄膜应力＋弯曲应力最大值为244.6MPa。在最大上提力下，路径B各向应力沿路径分布如图10，可得路径B上的主要应力为由弯曲引起的y方向应力，并且沿厚度方向上急剧减小。路径B应力线性化处理结果如图11，可得应力线性化处理路径B的薄膜应力为107.7MPa，薄膜应力＋弯曲应力最大值为267.4MPa。

图8 各向应力沿路径A分布

图9 路径A应力线性化处理结果

图10 各向应力沿路径B分布

图11 路径B应力线性化处理结果

根据所选路径位置和应力线性化处理结果可得，各路径应力都是由于结构总体几何不连续产生的，而且应力具有明显的局部性和自限性。局部性表明这部分应力仅存在于结构不连续处的局部区域。自限性表明应力主要是因为在结构不连续处要使得变形协调而产生的，当应力达到屈服极限，使局部发生流动而使变形协调后，该局部的应力值也将不再升高。在最大上提力下将承载结构按JB4732—1995《压力容器分析设计标准》进行应力强度评定，各线性化路径评定结果应依次满足如下条件：一次局部薄膜应力SⅡ≤1.5 Sm，薄膜＋弯曲应力SⅣ≤3 Sm。最大上提力下承载结构的应力强度评定结果如表3。由表3可得，在最大上提力下，承载结构的应力强度评定合格，故最大上提力下，承载结构能够满足强度要求。

表3 最大上提力下承载结构的应力强度评定结果

4 结论

1） 建立了承载结构的有限元分析模型，得到了承载结构在最大上提力下等效应力分布情况，分析了危险截面上各向应力沿厚度方向的变化及主要应力形式，并对危险截面上的应力做线性化处理，得出最大应力均小于许用应力，承载结构满足强度要求。

2） 引入JB4732—1995《压力容器分析设计标准》中的应力分类方法对复杂结构进行强度评价时，既能对应力集中区域的各向应力分布进行评估，也可以对危险截面上的应力进行分类评价，能比较全面评价复杂结构的强度，为复杂结构的强度评定提供参考。

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Stress Analysis and Strength Assessment of Bearing Structure of Snubbing Unit

GAO Jia－qiang1，LI Fa－cheng2，JIANG Fu－yang1，LIU Ju－bao1，LUO Min1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing，163318，China；2.Research Institute，Daqing Oilfield Equipment Manufacture Group，Daqing163312，China）

Load bearing structure is one of the key components of snubbing unit，and it＇s required for snubbing unit＇s normal operations.For these reasons，a mechanical model of bearing structure was established at the base of its structure and load characteristics，and a stress analysis was carried out and strength assessment of load bearing structure as well.The methods and processes of stress classification of the JB4732－95criteria were introduced.The results provided technical reference for the strength assessment of complex construction.

snubbing unit；bearing structure；stress analysis；strength assessment

1001－3482（2012）01－0033－04

TE934.2

A

2011－07－15

高加强（1987－），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为石油机械力学分析及应用，E－mail：gaojiaqiang111＠126.com。