浮动缓冲短节的疲劳及稳定性分析

梁顺安，程国锋，李洪波，郭冬，郭乾坤，向明余

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721000；2.川庆钻探长庆石油工程监督公司，西安 710000）

0 引言

在实际工程应用中，因结构疲劳或屈曲失稳而导致产品在其有效寿命期内失效的现象时有出现，常会引发恶性事故，给企业带来非常严重的损失。因此已有越来越多的企业在重视产品结构的疲劳及稳定性问题。

1 浮动缓冲短节结构及作用

在工程应用中中，浮动缓冲短节（以下简称短节，如图1 所示）常用于连接钻井动力单元和钻杆等钻井单元，如图2（a），其主要功能有：1）在钻井作业时向钻柱顶部提供旋转动力；2）缓冲上、卸扣时钻杆对水龙头连接端的冲击，保护水龙头连接端的螺纹扣；3）为泥浆循环提供泥浆通道。

图1 浮动缓冲短节结构简图

图2 浮动缓冲短节的工程应用

从图2（b）可看出，短节上端接水龙头，下端接钻杆，属于主要受力部件。如果短节的疲劳及稳定性不能满足要求，就存在着钻具坠落或高压泥浆泄漏等安全隐患，对钻机及施工人员的安全有着很大的威胁。因此，对短节的疲劳及稳定性进行分析很有必要。

2 疲劳分析

在产品设计阶段采用ANSYS 软件，在物理样机制造之前进行疲劳分析，预测产品的寿命，可极大降低制造物理样机和进行试验所带来的巨额费用。

2.1 材料及力学性能指标

表1 短节主承载件及其材料力学性能

2.2 有限元模型

将短节在装配体状态下进行分析，有限元模型如图3 所示。装配体各螺栓连接部件之间采用Bonded；其他相互有接触的零组件之间采用Frictional。网格划分采用四面体网格，网格大小20 mm。

图3 短节有限元模型、约束与载荷

2.3 约束及载荷

约束：固定上接头内锥螺纹所有自由度；载荷：在活动接头螺纹面施加当量载荷365 kN，如图3 所示。

2.4 分析计算

2.4.1 计算依据

根据文献［1］中对钻机服役期中的应力循环总数N∑及当量载荷系数的推导计算，得出ZJ15 级别钻机在疲劳计算中的循环次数及当量载荷数值分别为：短节预期最小循环次数为是N0＝2.8E5，当量载荷为F0＝365 kN。

疲劳强度分析计算所用材料S-N 曲线数据按照《ASME锅炉及压力容器规范Ⅷ（2010 版）》第三册中表KD-320.1M 列值分别选取，如表2、表3 和图4、图5 所示。

表2 外套、下盖疲劳寿命计算S-N 曲线的表列值

表3 上接头、冲管、活动接头疲劳寿命计算S-N 曲线的表列值

图4 外套、下盖S-N 曲线

图5 上接头、冲管、活动接头S-N 曲线

2.4.2 分析结果

各主要零件的应力云图及疲劳寿命图分别如图6～图9 等所示。

图6 上接头Von-Mises 应力图

图7 上接头疲劳循环寿命图

图8 冲管Von-Mises 应力图

图9 冲管疲劳循环寿命图

2.5 结论

得出分析结果如表4 所示。

表4 短节各主承载件最小疲劳循环次数

由上述分析可知，短节各部件的最小疲劳循环次数：Nmin＝4.3E5＞Nf＝2.8E5，即各部件的计算寿命都满足预期要求，所以短节主承载件上接头、冲管、外套等零部件的疲劳寿命满足设计要求。

3 稳定性分析

对短节进行线性屈曲分析即Linear Buckling 分析来获得其疲劳寿命、失稳系数等稳定性参数。这里将分析模型简化后，近似认为短节的失稳属线性问题。

进行线性屈曲分析的目的是寻找分叉点，对于线性结构，其方程是：（［K］+λ［S］）｛ψ｝＝0。式中：［S］是应力刚度矩阵；λ 是常数；ψ 是屈曲模态形状系数。式中，屈曲载荷乘上λ 就是将其乘到施加的载荷上，就可得到屈曲的临界载荷。因此，分析的关键是获得特征值λ。

3.1 有限元模型

有限元模型如图10 所示。网格划分采用四面体网格，网格大小25 mm。

3.2 约束及载荷

图10 短节有限元模型、约束及加载

约束：约束上接头螺纹处的自由度，设为固定；

载荷：对短节的活动接头螺纹处施加F＝900 kN 的拉力，T＝15 000 N·m 的扭矩，短节内环形腔壁施加P＝35 MPa的泥浆压力。见图10 所示。

3.3 稳定性分析结果

对短节进行静力学与线形屈曲的耦合分析，得出短节的6阶失稳安全系数如表5 所示。

前2阶失稳形态如图11～图12 所示，其余略。

表5 前6阶失稳安全系数

图11 短节一阶失稳形态图

3.4 结论

对短节整体进行稳定性分析的结果表明，短节的最低阶（一阶) 失稳安全系数为λ1=12.9，大于短节的许用安全系数3（注：稳定性安全系数应不小于强度安全系数），其余各阶安全系数更高。因此短节稳定性满足要求。

图12 短节二阶失稳形态图

4 结语

在工程应用中，因结构疲劳或屈曲失稳而导致产品失效将带来非常严重的损失；早期的分析计算中，也发现有些零部件不满足疲劳及稳定性判定要求，因此非常有必要对钻机重要设备进行相关分析。

本文应用ANSYS 对调整后的短节进行疲劳及稳定性分析：1）得出了合适的短节各主要零部件的疲劳寿命系数及失稳系数等重要参数，为短节疲劳及稳定性提供了必要的判定依据；2）极大地降低了制造物理样机和进行耐久试验所带来的巨额费用；3）弥补了手工计算的缺陷，为设计者提供了一种新的计算思路。

［1］陈如恒，沈家骏.钻井机械的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1995.

［2］李兵，何正嘉，陈雪峰.ABSYS Workbench 设计、仿真与优化［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［3］苏一凡，徐宏伟，徐黔斌，等.基于ANSYS 的海洋修井机井架强度分析［J］.石油天然气学报，2008，30（2）：607-609.