水下采油树本体结构强度有限元计算与分析

张鹏举，郑陶清，李 博，曾 明

（1. 美钻能源科技（上海）有限公司，上海 200941；2. 上海海事大学 商船学院，上海 201306）

水下采油树本体结构强度有限元计算与分析

张鹏举1，郑陶清2，李 博1，曾 明1

（1. 美钻能源科技（上海）有限公司，上海 200941；2. 上海海事大学 商船学院，上海 201306）

采油树本体是水下采油树的重要构件，其强度和刚度是保证采油树运行安全性和使用性的关键因素。采用有限元程序Patran和Nastran软件，在设计工作与实际工作条件下，针对采油树本体的三种不同工况，结合不同载荷条件下的结构强度进行有限元计算。计算结果表明，该结构的局部区域存在高应力，但总体结构安全可靠。

采油树本体；结构强度；有限元计算

0　引言

水下采油树是深海油气开发中不可或缺的设备之一，在深海油气田开发中起到了至关重要的作用［1］。长期以来，水下采油树的关键技术被国外的几家公司所垄断［2］。我国对采油树的研究面临着国外专利和知识产权的封锁，与美国、巴西、挪威等海洋石油发展强国有很大差距。尽早实现采油树国产化，突破国外技术垄断，具有十分重要的战略意义［3］。

水下采油树主要由采油树本体、阀、连接器、油管挂、树帽、油管、支架、导向架等部分组成。采油树工作过程中承受高压的作用，是典型的特种设备［4］。周思柱等［5］曾用两种方法对某采油树井口阀体进行了强度计算，指出有限元法计算结果更为精确。刘广君［6］曾对某采油树四通型本体结构进行三维静态有限元分析，得出最大应力值在相贯交叉点处。秦蕊等［7］曾对深海水下采油树进行整体结构强度计算，求出水深和油气温度等因素对结构应力的影响，并给出最大应力的分布规律。前人的研究大多没有考虑采油树本体在多种载荷作用下结构受力的分布规律。因此，全面研究该结构的应力分布规律显得格外紧迫。

1　采油树本体力学分析模型

1.1 有限元模型建立

由于采油树本体结构较复杂，为便于分析研究，先在Solidworks软件中对采油树本体的三维几何模型进行简化，对不影响应力分析的一些细小构件，如阀组周围用于固定的螺栓孔、几何模型中的不规则造型、本体外壳棱角处的凸台等作了简化处理，简化后的几何模型见图 1。将该模型导入有限元计算程序的前处理软件Patran，使用四面体10节点（Tet10）单元对其进行网格自动划分，共划分为62536个网格，12119个节点（见图2）。

图1　采油树本体几何模型

图2　采油树本体有限元模型

采油树本体的材料为普通钢材，其最小屈服强度yσ =517MPa，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.75×103kg/m3。

1.2 载荷条件

采油树本体所受外部载荷来源丰富，在不同的作业条件下，将受到不同外力及弯矩的作用。综合考虑现场、实际工作和设计工作条件三方面，基于对采油树本体运行安全性、可靠性的要求，按3种工况进行强度分析。

工况1：在安装过程中，由于防喷器、隔水管安装偏角带来的附加载荷。经保守确定，该载荷为207730N的水平剪切力，作用点位置距离上端圆孔中心10.06m上空，作用方向不定，为保险起见，在水平面内取与采油树本体横向轴线成0°、45°、90°三个方向分别进行计算。由于是吊装工况，主要承受该力的部位为上端螺纹的下表面，通过设置 MPC技术，将该力传递到承担的节点上（见图3）。

工况2：当采油树本体连接固定后，H-4连接器的测试压强、预紧力和螺母扭紧力矩对采油树本体结构受力的影响也不可忽视。根据《井口装置和采油树设备规范》［8］，测试压强为103.5MPa。预紧力及扭矩主要依据《机械设计手册》［9］第六篇中的计算公式。

根据材料力学［10］中关于应力面积eA的计算公式：

式中：D——螺纹大径；d——螺纹小径；L——螺纹长度；P——螺纹螺距；md——螺母中径。

预紧力F及螺母扭紧力矩T的计算公式：

图3　工况1载荷

式中：1T——螺纹摩擦力矩；2T——支承面摩擦力矩；2d——螺纹中径；λ——螺纹升角；vρ——螺纹当量摩擦角；1f——摩擦系数。

将相关数据代入上述公式，计算得出预紧力F=23296440.53N，扭矩T=1291496468N·mm。它们的作用点为轴向中心点，通过设置MPC技术，将该位置的力和扭矩传递到需要承担的节点上（见图4）。

图4　工况2载荷

工况3：考虑超载的提升载荷，用于确定采油树本体通过H-4连接器与井口头连接的完好性，并需给出最大提升载荷。该载荷通过多次试算得出，为了保证结构的完好性，受该载荷作用时，采油树本体所受最大应力必须小于材料的屈服强度yσ。此外，还需要添加油管挂质量10000N。添加上述载荷的位置是上部螺纹的上端面（见图5）。

在以上3种工况中，都需要添加采油树本体结构自身的质量，自身质量通过定义重力加速度g=9.81m/s2实现。

1.3 边界条件

需要分类考虑采油树本体在3种工况下的边界条件。对于工况1、工况3，由于采油树本体通过H-4连接器与井口连接，所以对采油树本体下端螺纹位置添加刚性固定约束（见图6）。对于工况2，由于考虑的是H-4连接器对采油树本体的预紧力及扭矩，此时采油树本体已固定在油管挂之外，所以对本体内部与之接触的区域添加固定约束（见图7）。

图5　工况3载荷

图6　下端螺纹约束

图7　工况2约束

2　采油树本体有限元计算结果分析

将采油树本体的有限元计算模型导入后处理计算器Nastran中，计算出3种工况下采油树本体的应力分布云图。

2.1 应力云图

工况 1：将本体的一端约束，另一端施加载荷，可近似地视作一个悬臂结构，其最大应力一般出现在载荷作用点附近，根据工况1的应力分布云图（见图8），最大应力出现在采油树本体上端螺纹与主体结构衔接处，即剪切力作用的位置，只是随力的作用方向变化而略有不同，与理论分析吻合。剪切力作用方向有0°、45°、90°等3种情况，其各自的最大应力点也出现在对应位置。计算结果表明，当水平剪切力与采油树本体横向轴线成0°时，应力最大，为171MPa，另两种情况的最大应力值集中在150MPa左右，均大幅小于材料的最小屈服强度，结构安全性较高。

图8　工况1应力云图

工况2：其应力云图见图9，H-4连接器的预紧力和扭矩通过接触传递到本体下端的相应位置，产生较大应力，但由于预紧力适度，该区域的应力处于合理范围，仅在个别点出现了较大应力。最大应力出现在下端螺纹与主体结构衔接处，这是由本体自身的结构型式所决定，该处形状突变较大，又处在边缘位置，容易产生高应力。但从计算结果可知，最大应力值为153MPa，与材料的最小屈服强度为517MPa相比，仍有差距，总的来说仍是安全可靠的。

工况 3：实为吊装工况，提升载荷通过吊绳传递至采油树本体的上端螺纹附近，致使该处容易出现高应力。经多次试算，当最大提升载荷为3500t时，结构所承受的最大应力为514MPa，已逼近材料的最小屈服强度，如果提升载荷继续增加，结构将发生危险，此时的应力分布云图见图10。

图9　工况2应力云图

图10　工况3应力云图

2.2 校核结果

根据“2.1”中计算出的最大应力，得出各种工况条件下采油树本体的安全系数，并对结果作出评价（见表1）。

表1　校核结果

3　结语

1） 采用有限元法对采油树本体进行了结构强度计算，得出了应力分布规律，找出危险点的位置。为提高结构的安全系数，建议在高应力区域，即上、下螺纹位置处采用高强度钢材，从而有效避免螺纹处结构由于高应力而被破坏；

2） 考虑了采油树本体在正常操作过程中，可能出现的3种复杂工况，但由于其作业地点位于海底，许多非人为因素（如地震等）也可能对结构造成破坏，在这些外部条件作用下，采油树本体的应力分布规律，将是下一步研究的重点。

［1］ 薛鸿祥. 新型深海多柱桁架式平台及立管结构疲劳性研究［D］. 上海：上海交通大学，2008.

［2］ Zeiner Gundersen D. H. Evaluation of a subsea tree after 20 years’production［C］//OTC 4727，2002.

［3］ 康永田，田红平，罗晓兰，等. 水下采油树内部输油管应力分析［J］.石油机械，2011，40（4）：33-36.

［4］ 文志雄，张斌，辜志宏，等. 井口装置和采油树的特种设备制造许可［J］. 石油机械，2007，35（2）：58-60.

［5］ 周思柱，袁新梅，罗颖萍. 井口阀体有限元计算与简化计算的比较［J］. 石油天然气学报，2005，27（2）：256-257.

［6］ 刘广君.基于ANSYS的采油树用四通本体结构三维静态有限元分析［J］. 机械研究与应用，2010，23（5）：8-10.

［7］ 秦蕊，罗晓兰，李清平，等. 深海水下采油树结构及强度计算［J］. 海洋工程，2011，29（2）：25-31.

［8］ ANSI/API Spec 6A，Specification for wellhead and christmas tree equipment［S］.

［9］ 闻邦椿. 机械设计手册［M］. 北京：机械工业出版社，2010.

［10］ 刘鸿文. 简明材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，2008.

Finite Element Calculation and Analysis of Subsea Production Tree Body Structure

ZHANG Peng-ju1，ZHENG Tao-qing2，LI Bo1，ZENG Ming1
（1. Mei Zuan Energy Technology（Shanghai）Co. Ltd.，Shanghai 200941；2. Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306）

Tree body is an important part of the subsea production tree，whose strength and stiffness are the key factors to ensure operation safety and usage of the tree. This paper uses the Patran and Nastran software based on finite element program to calculate the strength of the tree body structure with three different loading stresses both in the design and operation conditions. The calculation result shows that the overall structure of the body is safe and reliable though high stress exists in some areas.

production tree body； structure strength； finite element calculation

U674.38+1.03

A

2095-4069 （2016） 03-0022-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.004

2015-05-15

张鹏举，男，高级工程师，1968年生。1992年毕业于海军工程大学潜艇机电管理专业，现从事海洋石油天然气钻采设备的研发、设计和测试工作。