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大鉤鉤身強度有限元分析與設計優化

發布于:2022-05-27 21:18
有限元分析

      DU675大鉤是9000 m石油鉆機游吊系統最重要的部件之一,在鉆井作業中的主要作用為起下鉆具、懸持鉆柱、下套管;卡鉆或遇阻時提拔鉆柱,在解卡破阻排除事故時,可能要承受2倍最大鉆柱質量的靜載荷。傳統大鉤鉤身的應力處理方法是將載荷在鉤體承載表面上均勻分布,并將載荷離散后施加。此方法計算量大,且很難反映出大鉤鉤身真實的受力情況,而鉤身是大鉤承載的最重要的零件,鉤身的使用壽命、強度和可靠性直接決定鉆井作業的安全。在鉆井作業復雜工況、最大鉆柱重力和交變載荷的共同反復作用下,對鉤身的綜合力學性能、安全可靠性要求極高。
      本文利用ANSYS有限元分析軟件,直接將最大鉤載加載到鉤身工作部位,對DU675型大鉤鉤身的應力進行計算分析,真實反映出鉤身的應力分布情況,為大鉤的可靠性提供了更為精準的理論校核依據,并用ZU20Ni2CrMo-M鑄鋼件替換了原來的T-217E材料。材料的屈服強度由原來的655 MPa提高到690 MPa,提高了鉤身的綜合力學性能,更加有效地提高了大鉤的使用壽命和安全可靠性。
      建立完整的鉤身幾何模型,對鉤身部分倒角和圓角在建模時作了簡化處理。分析計算使用的軟件為ANSYS WORKBENCH。根據API標準叫和ASME標準的相關規定,對大鉤受力模型進行簡化:假設施加在大鉤上的載荷恒定,不隨時間變化;假設大鉤鉤身的工況載荷、試驗工況載荷分別為6750 kN和13500 kN。為了提高計算結果的精度,在有限元網格劃分時,采用軟件默認的整體網格自由剖分,Relevance的值選最大值100,這樣剖分的網格密度最高;經過計算機網格剖分,鉤身的節點數37059個,單元數21678個。
      由于大鉤鉤身是軸對稱結構,建立的模型在對稱而上不能有位移。在1/2鉤身主鉤工作部位的對稱而上施加對稱約束,對鉤體圓筒施加垂直方向固定約束,即u=U。
      大鉤鉤身材料采用ZU20Ni2CrMo M的優質合金鑄鋼。
      DU675型大鉤主鉤受到鉆具系統向下的載荷作用,根據ASME珊第2冊AD篇校驗部分的規定,應分別校核大鉤在最大工作工況載荷6750 kN和最大試驗工況載荷13500 kN條件下的強度是否滿足要求。經有限元分析計算可知,主鉤載荷在6750kN和13500 kN條件下分別對應的應力分布。
      最大應力發生在鉤身主鉤的承載部位。主鉤載荷6 750 kN時應力集中處VorrMise、等效應力為352. 802 MPa;載荷13 500 kN時應力集中處Von Mise、等效應力為705. 604 MPa,均小于材料的極限強度795 MPa,滿足材料強度要求。
      采用載荷直接加載在主鉤工作部位,并根據API標準和ASME標準的有關要求,建立了DU675大鉤鉤身承載模型,更精準地模擬實際工況,并在最大試驗工況載荷13500kN條件下對其進行強度分析計算。分析結果表明,其最大應力均小于極限強度795 MPa,滿足設計強度要求。鉤身材料采用ZU20Ni2CrMo M優質鑄鋼件,材料的屈服強度提高到690 MPa。通過本次設計優化和材料改進,提高了鉤身的安全性、可靠性、使用壽命,有效解決了大鉤在承受鉆具最大交變沖擊載荷時對鉤身損壞的問題。該方法可推廣用于DU450、 DU315DU320、DU225系列大鉤游吊系統。


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