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高壓模擬試驗艙的設有限元分析

發布于:2019-03-04 21:15
有限元

      海底蕴藏着极其丰富的石油天然气资源,并且陆地和浅海地区的油气资源正在逐渐减少,甚至枯竭,然而对于能源的需求量却在不断上升,油气资源的开发重点也转向深海。国内3大石油公司均开始了海洋深水油气勘探开发装备的研究工作,计划研制具有我国自主知识产权的海洋石油装备。海洋石油水下装备具有高投入、高技术和高风险等特点,长期以来被国外发达国家所垄断,这严重制约了我国海洋油气的勘探开发。高压模拟试验舱能为海洋石油装备提供高压条件下的水密性检验、承压强度检验和疲劳检测,为海洋水下生产装备关键零部件的深水测试提供硬件条件。目前,中国石油集团海洋工程重点实验室研制并装备了能够模拟1500和3000m水深的深水高压舱各1套,用于海洋石油开发设备的结构承压检测,保障海洋石油开发的安全。但是,当前的深海勘探装备作业水深一般为6000m,高压舱在工作时要密封高达60MPa的海水压力。为此,设计了一种承压60MPa的高压舱,并对其进行有限元分析和焊接結構分析,以期爲深海高壓艙的設計提供參考。
      依据JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》对高压舱进行方案设计,包括封头、圆筒体、舱体接头、端盖、挡环块结构以及开孔补强、密封和焊接结构设计。图为高压舱结构示意图。方案设计中,采用16块挡环块嵌入舱体接头凹槽将端盖压紧,采用高压密封。设计高压舱内压p=60MPa,内径D=3500mm。由16块相同挡环块组成的挡圈内径D=3300mm,外径Dz=4100mm。为保证能够有效安装,每块挡环块圆心角a应小于22.5°。在安装时,最后一块挡环块的外径弧长应小于或等于已安装的巧块组合成的内径圆弧缺口长度,列成不等式为:带入数值可求解a=22.160,为进一步保证可靠安装,取a=22.100。高压舱可模拟深海高压环境对试件进行测试,深海温度比地面温度变化小,故设计温度为200℃钢材的许用应力值取常温下标准抗拉强度,下限值的1/2.6与常温下屈服强度S的1/1.5中较小值。焊接采用100%无损探伤,取焊缝系数1.00。
      设计封头为标准椭圆封头,舱体为圆筒体,选用材料均为低合金钢35CrMo,许用应力377MPa。圆筒体壁厚计算式为:K为椭圆形状系数,标准椭圆封头K=1。由计算得303mm,由计算得291mm。厚度附加量C包括2部分,厚度负偏差C,和腐蚀裕量Cz,根据高压舱工况取C=C+Cz=4mm。取封头厚度和圆筒体厚度均为307mm。端盖与挡环块的材料选用37SiMnCrNiMoV,许用应力739MPa。依据弹性力学圆板轴对称问题进行分析,在端盖内取一微元进行分析,受力为:向正应力、径向正应力、周向正应力和切应力,并且最大挠度出现在圆板中心,弯矩最大绝对值则出现在边界上。在圆板中心处建立方程可求出3个主应力,并根据第三强度理论进行強度校核,最终求解得端盖厚度h=511mm。同样的方法可计算挡环块厚度h=323mm。基于VB程序语言对ANSYS有限元分析軟件進行二次開發,依據高壓艙的結構特點編寫了高壓艙分析軟件。利用該軟件可以通過簡單的參數設計界面對高壓艙的各個結構進行參數化建模和有限元分析
      利用高压舱分析软件输入设计参数,便可调用ANSYS进行后台批量处理,并生成应力云图作为分析设计依据。采用第三强度理论作为强度评判依据,在ANSYS软件中选择stress intensity应力分析对封头、圆筒体、端盖、挡环块、端盖、舱体接头、开孔及焊接结构进行有限元分析和优化设计。首先对圆筒体强度进行分析。将第1节计算的壁厚等参数作为基础,输入参数如下:施加内压60MPa,内径3500mm,高度3500mm,厚度307mm,弹性模量206GPa,泊松比0.3,密度7850kg/m3。计算结果显示,圆筒体内壁的最大应力值为434MPa,超过了35CrMo。钢的许用应力377MPa;对壁厚进行修正,在壁厚为370mm时,圆筒体内壁最大应力值为376MPa。


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