XSL675型旋扣水龙头提环有限元分析

冯庆东，张林海，侯 宇，冯耀东，任义磊

（1.南阳二机石油装备（集团）有限公司，河南南阳473006；2.南阳理工学院机械与汽车工程学院，河南南阳473004）



XSL675型旋扣水龙头提环有限元分析

冯庆东1，2，张林海2，侯 宇2，冯耀东1，任义磊2

（1.南阳二机石油装备（集团）有限公司，河南南阳473006；2.南阳理工学院机械与汽车工程学院，河南南阳473004）

摘要：根据石油钻机X SL675型旋扣水龙头提环的设计图，通过UG建立其整体三维实体模型，按照API Spec 8C规范要求和材料的抗拉性能试验数据，确定本构关系和加载方式。运用ABAQUS有限元分析软件，计算了提环在额定载荷和超负荷条件下的应力状况，分析了提环的应力分布规律。并根据API Spec 8C规范要求设置危险下限和安全上限，显示了提环的危险区域和安全区域，提出了改进和优化措施，为石油钻机旋扣水龙头提环的安全设计和结构优化提供参考。

关键词：提升系统；旋扣水龙头；提环；应力分析

水龙头是石油钻机循环系统的重要部件，其既要和上部的游车大钩保持相对静止，又要带动与之下部相连的钻杆实现旋转运动，受力状况复杂。在工作状态下，其下部悬挂钻柱，内部输送高压钻井液［1-2］。旋扣水龙头主要由旋转部分、固定部分、密封部分和旋扣部分等组成。旋转部分由中心管、接头、推力轴承等组成；固定部分由壳体、上下盖、鹅颈管、提环和柱销等组成；承转部分由主轴承、防跳轴承和下扶正轴承等组成；密封部分由冲管总成和上下油封等组成；旋扣部分由风动马达、齿轮、单向气控摩擦离合器等组成［3-4］。

旋扣水龙头提环一般呈U形，其上端（U形底部）挂在大钩上，下端耳环（柱销孔）通过柱销与水龙头壳体相连。水龙头提环是游吊系统中的主要受力构件，承载着水龙头、方钻杆、钻杆等全部重力，其力学性能直接关系到水龙头的工作安全性［5］。水龙头提环形状很不规则，截面变化较大，具有几何非线性和较大的局部应力集中。在实际工作中，提环受到拉伸、扭转、弯曲等多种载荷的作用，受力状况复杂［6］。因此，本文对X SL675型旋扣水龙头提环进行有限元计算和分析，为石油钻机水龙头提环的设计及结构优化提供理论依据。

1 XSL675型旋扣水龙头提环概述

X SL675型旋扣水龙头的结构形式按南阳二机石油装备（集团）有限公司（以下简称南阳二机集团）产品系列形式，产品的设计计算按照API Spec 8C—2012《钻井和采油提升设备规范》和G B/T 19190《石油天然气工业钻井和采油提升设备》的要求。提环由合金钢整体锻造而成，进行调质处理和表面处理，其强度和韧性较高［7］。提环最低设计温度与工作温度均为－20℃，热处理后的力学性能按照A S T M A370《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》和Q/R G J204.4—2005《锻件通用技术条件》进行试验。提环与其他部件的连接部分符合S Y/T 5288—2000《钻采提升设备主要连接尺寸》规定。X SL675型旋扣水龙头提环的结构如图1所示。

图1　XSL675型旋扣水龙头提环结构

南阳二机集团制造的X SL675型旋扣水龙头提环材质为35 CrMoA，按照API Spec 8C规范规定和合金钢手册数据，该材料的力学性能参数如表1所示。表1中的数值是API规范中规定的最小值，实际生产的提环材料参数一般高于表中的数值。

表1　35Cr M oA钢的力学性能参数

2 提环的有限元建模和加载

根据X SL675型旋扣水龙头提环的产品设计图，运用UG建立整体三维实体模型。考虑到提环形状很不规则，截面变化较大，对部分部位进行简化处理。将耳环与U形环臂连接处的过度圆弧面简化为平面，忽略耳环棱角上对应力分布影响不大的小圆角［8］，建立的X SL675型旋扣水龙头提环的有限元分析模型如图2所示。

图2　XSL675型旋扣水龙头提环的有限元模型

根据材料的试验数据，采用弹塑性硬化材料的线性本构关系，建立提环的有限元分析模型加载方式。加载时认为载荷恒定，忽略提环随游车大钩在游动中的自重和振动因素，施加对称约束［9］。在这种本构关系中，忽略了提环材料的热处理效应，计算结果偏于安全。35 CrMoA钢的拉伸试验曲线如图3所示。X SL675型旋扣水龙头提环的额定载荷为6 615 k N。利用建立的有限元模型，运用有限元分析软件ABAQUS计算分析提环在额定载荷和超负荷条件下的应力分布。提环形状复杂，几何非线性对其整体应力影响较大，在截面突变处具有较大的应力集中，应重点分析。

图3　35 CrMoA钢的拉伸试验曲线

3 提环的有限元计算及分析

3.1 额定载荷下提环的应力分布

在额定载荷6 615 k N下，X SL675型旋扣水龙头提环的Mises应力云图如图4所示，可以看出：最大应力值为530.3MPa，小于API规范中材料的屈服极限550MPa，说明提环在额定载荷下整体处于弹性状态。

图4　额定载荷下提环的Mises应力云图

提环的较大应力部位出现在耳环柱销孔的外侧边缘处，以及上部U形环的外侧，最大应力值530.3MPa位于耳环柱销孔的外侧边缘处。提取最大应力所在区域的局部应力云图，如图5所示，左右2个耳环的应力状况相同。由图5可以看出：最大应力值530.3MPa发生在耳环柱销孔的外侧边缘棱角附近，所占区域极小且深度极浅，应该是建模简化引起的应力集中，不会影响提环的整体强度。

图6为提环U形环的局部应力云图，可以看出：该部分的最大应力为240.8MPa，较大应力区域发生在U形环内侧与大钩接触和非接触位置的边缘处，所处的区域很小且深度很浅，主要是加载时采用质量块的影响所致。去除较大应力的危险区域后，剩余部分的应力云图如图7所示，可以看出：该部分最大应力值104.3MPa出现在连接臂内侧，远小于材料的屈服极限。

图5　额定载荷下提环的耳环局部Mises应力云图

图6　额定载荷下提环U形环的局部Mises应力云图

图7　提环截去危险区域后的局部Mises应力云图

分析结果表明：提环的耳环柱销孔外侧边缘处应力较大但小于材料的屈服极限，提环其余部位的应力均处于安全范围内，提环整体在额定载荷下处于弹性状态，安全余量足够。

3.2 2.25倍额定载荷下提环的应力分布

图8是在2.25倍额定载荷（14 883.75 k N）下水龙头提环的Mises应力云图。由图8可以看出：在2.25倍额定载荷的超负荷条件下，提环的一些部位已经出现了少量塑性变形；提环的危险部位还是出现在耳环柱销孔的外侧边缘棱角附近，最大应力值为629.3MPa，大于API规范中材料的屈服极限550MPa，但小于材料的抗拉极限725MPa；另一危险部位出现在U形段，最大应力586.8MPa，稍大于API规范中材料的屈服极限550MPa，但小于材料的抗拉极限725MPa。对照机械设计手册中材料的屈服极限为835MPa，抗拉极限为980MPa，超载情况下的最大应力小于材料的屈服极限。因此，X SL675型旋扣水龙头提环在2.25倍额定载荷的条件下还可以满足强度要求。

图8　2.25倍额定载荷下提环的Mises应力云图

提环耳环的局部应力云图如图9所示，可以看出：最大应力值629.3MPa出现在耳环柱销孔的外侧边缘棱角附近，发生的塑性区域较大但深度很浅，应系建模简化及加载质量块引起的应力集中，对提环的整体强度不会有太大影响。

图9　2.25倍额定载荷下耳环的局部Mises应力云图

图10为提环U形环的局部应力云图，可以看出：该部分的最大应力值为586.8MPa，较大应力区域发生在U形环内侧与大钩接触与非接触位置的边缘处，所处的区域已较大但深度很浅，主要受加载方式影响所致，会在U形环内侧与大钩接触和非接触位置的边缘处形成较浅的压痕。去除较大应力的危险区域后，剩余部分的应力云图如图11所示，可以看出：该部分最大应力值524.7MPa出现在连接臂内侧，小于材料的屈服极限550MPa，所占区域虽大但深度较浅。

图10　2.25倍额定载荷下U形环的局部Mises应力云图

图11　截去危险区域后提环的局部Mises应力云图

分析结果表明：在2.25倍额定载荷的超负荷条件下，提环的耳环柱销孔处和U形环内侧已有部分区域进入塑性状态；但危险截面上弹性部分仍然占很大比例，总体变形由弹性变形控制而不会太大，此时提环仍能安全承载，足够满足安全系数为2.25的技术条件，但可能会产生一定的残余塑性变形。两侧臂杆内侧也是水龙头提环的薄弱环节，最终设计和制造时也应提高该部位的强度和表面硬度。U形环与耳环的过渡脖颈处应力值也较大，但区域较小且深度较浅。其余部位的应力均很小且分布较为均匀，说明提环这些部位在2.25倍额定载荷下的安全余量足够。由于水龙头提环整体受弹性变形控制，总的变形仍很小，提环能够安全承载，而且少量塑性变形可能对改善提环的应力分布有利，使提环材料得到充分应用，提高提环的承载能力。

4 危险区域和安全区域的应力显示

按照API Spec 8C规范要求［10］，有限元计算结果需清晰显示在额定载荷下构件危险区域和安全区域的应力分布情况。可按材料的屈服极限比安全系数比1.33（σs/S/1.33）设置危险区域下限值，按材料的屈服极限比安全系数比10（σs/S/10）设置安全区域的上限值。提环材料35 CrMoA满足API Spec 8C规范要求的屈服极限为550MPa，则其危险下限值为σs/S/1.33＝550/2.25/1.33＝183.8MPa，安全上限值为σs/S/10＝550/2.25/10＝24.44MPa。

按照183.8MPa的下限值和24.44MPa上限值，分别设置提环在额定载荷下的计算结果，其应力分布情况分别如图12～13所示。由图12可以看出：提环的危险区域出现在耳环柱销孔的外侧边缘处，以及U形环内侧与大钩接触边缘处，所占面积很小且深度较浅。由图13可以看出：提环的安全区域主要分布于耳环柱销孔顶端靠内侧区域，臂杆外侧区域，以及U形环内侧与大钩接触不到的区域。结果表明：提环在额定载荷下整体处于较为安全的工作状态，可以再提高危险部位的强度和表面硬度，优化安全区域的结构设计，以使提环应力分布更加均匀，进一步提高承载能力和减少整体质量。

图12　提环设定危险下限值的Mises应力云图

图13　提环设定安全上限值的Mises应力云图

5 结论

1） 在额定载荷下，提环上的最大Mises等效应力小于材料的屈服极限，提环整体处于弹性应力状态，安全余量足够。提环的危险部位出现在耳环柱销孔的外侧边缘处以及上部U形环的外侧。

2） 在2.25倍额定载荷的超负荷条件下，在耳环柱销孔的外侧边缘以及U形环内侧与大钩接触的边缘处均出现少量塑性变形，最大应力值处于耳环柱销孔的外侧边缘，但塑性区域均较小且深度较浅。其他部位的应力均小于材料的屈服极限，提环整体仍受弹性变形控制，还能够安全承载。

3） 由于实际生产中，提环材料的实际屈服极限高于API Spec 8C要求的数值，并且计算中未考虑提环材料的热处理强化效应，故计算结果偏于安全。少量塑性变形可使提环的应力分布趋于均匀，提高材料的利用率，承载能力可进一步提高。

4） 对于API Spec 8C要求警示的危险部位，耳环柱销孔的外侧边缘处以及U形环内侧与大钩接触边缘处，可采用适当的热处理方式提高局部强度和表面硬度。对于安全部位，可进行结构优化设计，从而使提环应力分布更加均匀，承载能力进一步提高并减轻质量。

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Finite Element Analysis on XSL675 SWivel Bail of Oil Drilling Rig

FENG Qingdong1，2，ZHANG Linhai2，H O U YU2，FENG Yaodong1，REN Yilei2
（1. RG Petro-Mɑchinery（Group）Co.，Ltd.，Nɑnyɑng 473006，Chinɑ；2.Schoolof Mechɑnicɑl ɑnd Automotiυe Engineering，Nɑnyɑng Institute of Technology，Nɑnyɑng 473004，Chinɑ）

Abstract：Based on the design drawings，X SL675 rotating-screw swivel bail of oil drilling rig was modeled in three-dimension entities bYUsing UG program ming. According to the API Spec 8C specification and material tensile test data，the constitutive relation and loading mode were established. The stress states of the swivel bail with the rated load and overload were nu merically investigated using the finite element analysis software ABAQUS to obtain the corresponding stress distributions. After the risk and safety limits were set according to the API Spec 8C specification，the danger and safety areas on the swivel bail were illustrated. Finally，so me im provement and optimization measures were introduced to provide the basis for the security design and structure optimization of the rotating-screw swivel bail.

Key Words：lifting system；rotating-screw swivel；bail；stress analysis

作者简介：冯庆东（1971-），男，河南南阳人，高级工程师，博士，主要从事石油装备技术及应用和结构强度与可靠性方面的研究，E-mail：fqd404fqd @ 163.com。

收稿日期：2015-07-23

文章编号：1001-3482（2016）01-0046-05

中图分类号：T E926

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.011