深水钻井隔水管法兰接头有限元分析程序.pdf

石 油机械 C H I N A P E 3 、R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第 3期 设计计算 深水钻井隔水管法兰接头有 限元分析程序 王荣耀 陈国明 鞠少栋 中国石 油大学 华 东 海洋油气装备与安全技 术研 究 中心 摘要 以A B A Q U S软件为求解器 ，开发 了针对深水钻井隔水管法兰式接头的有限元分析专用 程序。该程序利用 A B A Q U S命令流建立法兰接头的有限元模型 ，采用 P y t h o n语言实现其建模和求 解过程的参数化 ，再通过 V i s u a l B a s i c环境设计用户界面。C a m e r o n公司某等级 R F型钻井隔水 管 分析实例表 明，其螺栓最大等效应力发生在螺栓肩部 ，与实际情况吻合。说 明程序具有较好的实 用性，可为深水钻井隔水管法兰接头的优化设计提供参考。 关键词 深水钻井 法兰接头A B A Q U S 有限元 隔水管 0 引 言 海洋钻井隔水管是连接海底井 口和钻井浮船的 重要部件。隔水管接头提供了一种隔水管单根快速 连接和脱离的方式。隔水管接头负责隔水管柱的重 力传递 ，另外还可能要提供节流 、压井和辅助管线 的支撑⋯ ，因此是隔水管系统乃至整个钻进 系统 巾的关键部分。在众多类型的隔水管接头中，传统 的螺栓法兰接头由于强度高 ，承受载荷能力强，在 工况相对比较恶劣的海域得到了广泛应用 。 对于深水隔水管接头 ，国外 P ． F a s s i n a等 对 套卡接头的失效形式进行 了有 限元分析 和试验 分 析，给 出了接头 的应力危险 区域。H ． B a h a i 按 照 A P I 规范确定钻井隔水管螺纹式接头尺寸 ，使用有 限元法计算了在轴向载荷和弯矩作用下的应力集中 系数。G a r y L ． F o x等 用 C O S MI C ／ N A S T R A N程序 对 HM F隔水管法兰接头进行有限元分析。以上分 析使用的有限元分析工具都是通用型软件 ，存在用 户上手慢、参数修改不方便 的缺点。目前 ，专 门针 对隔水管接头的有限元分析工具还比较缺乏。 利用通用有限元分析软件设 计求 解器 ，通过 V C、V B等通用编程语言实现用户界面 ，是将 通用有限元分析软件 向专业领域推广的有效手段之 一 。笔者 以 A B A Q U S软件为求 解器 ，在 A B A Q U S 有限元分析模型的基础上 ，采用 P y t h o n语 言实 现 其建模和求解过程的参数化 ，再通过 V B环境开发 友好的用户界面 ，对复杂 的 A B A Q U S命令 流进行 后 台封装，设计出专门针对深水钻井隔水管接头的 有限元分析程序 ，可为深水钻井隔水管法兰接头的 优化设计提供参考。 1 法兰接 头有 限元分析模型 1 ． 1 模型 的建 立 采用大型通用有 限元分析软 件 A B A Q U S建立 法兰接头的有限元模型 ，选用三维实体单元模拟法 兰和螺栓 、螺母等元件。在大规模结构计算中，计 算速度和求解精度是非常重要的问题。建模过程充 分利用模型剖分和网格控制技术 ，尽可能获得六面 体 网格 ，以减小解题规模 ，提高计算精度。螺栓模 型整体采用规则的六面体网格 ，法兰盘的螺栓沉孔 和与主管连接处也采用规则的六面体网格 ，其他部 分不便生成六面体单元 ，故采用 自由网格划分。在 结构的高应力 区域进行 网格细化，例如在接头螺 栓 、螺母与法兰的接触处以及接头与隔水管单根的 连接处 ，都进行了网格细化 。 隔水管的构造特性将会影响局部应力结果，根 据圣维南原理 ，模型必须延伸至距离关键区域足够 远 ，以确保结果不受边界效应的影响 ，对于笔者所 建立的隔水管接头模型而言，所取模型长度远大于 ％ 基金项 目国家 “ 8 6 3 ”高技术研 究发展计划项 目 “ 深水钻井隔水管 系统技术研究” 2 0 0 8 A A 0 9 A1 0 6 。 2 0 1 1 年 第 3 9卷第 3期 王 荣耀 等 深水钻 井隔水管法兰接 头有限元分析程序 2 ． 5 ，其 中，r 为半径 ，b为壁厚。故根据圣维 南原理 ，可以忽略边界对计算模型应力的影响。由 于模型中接触对 比较多 ，考虑到模型的对称性 ，为 了节省计算分析时问 ，建立接头 简化建模 ，建立 的接头模型如图 1所示 。 图 1 法 兰 接 头 有 限 元 模 型 1 ． 2 载荷与边界条件的施加 法兰式隔水管接头连接时，须使用专用工具对 螺栓施加一定的预紧力。在预紧力作用下 ，螺栓处 于受拉状态 ，而被连接件法兰则受压。为了模拟螺 栓的这种 预紧效果 ，需要 在螺栓 中部对其进行 剖 分 ，并在剖分面上施加螺栓载荷 。在实际接触分析 中，为了改善求解的收敛性 ，在加载真实预紧力载 荷前施加很小的载荷 ，通常是 1 ／ 1 0 0～1 ／ 1 0 0 0 。分 析过程建立 4个载荷步。初始载荷步建立接触和边 界条件 ；第 2步施加很小 的预紧力加快收敛 ；第 3 步是将第 1步的螺栓预紧力修改为实际考虑的预紧 力 ，并 在 以后 的载荷 步 中保持 不变 ；第 4步施 加 工 作载荷 ，计算预 紧力 和工作 载荷 联合作用 时的结 果 。其中初始载荷步为系统默认建立的载荷步 ，后 面的几个载荷步需要用户手工添加。 由于采用的是剖分模型，故需在 法兰盘侧面 施加镜像约束。下 法兰端部与下方的隔水管相连 ， 视为轴向固定 ，施加轴 向位移约束。上法兰端部与 上部隔水管相连，施加轴向张力 ，实际分析时是将 工作载荷简化为均匀分 布的面力施加在 上法兰端 部。接头上法兰和下法兰之间以及法兰和螺栓 、螺 母之间都存在接触 。为 了精确模拟上述接触作用 ， 在 A B A Q U S中通过定义相互作用 建立接触对 。分 析过程中考虑 3种类 型的接触 法兰盘之 间的接 触 、螺栓和法兰盘螺栓孑 L 之间的接触 、螺母和下法 兰螺母孔 之间的接触。螺栓和螺母之 间无相对运 动 ，故采用绑定约束。 2 程序开发 2 ． 1 程序整 体框 架设 计 笔者的程序主体包括 V B界面程序和 A B A Q U S ／ P y t h o n命令流 2 部分。V B界面程序负责接受用户的 选择和输人 ，并进行结果 图片的显示 和强度校核。 A B A Q U S命令流负责接头的参数化建模 、求解分析 、 结果图片的生成和应力极值的提取 。V B界面程序 通过修改 A B A Q u S ／ P y t h o n命令流 的相关参数来 实 现对整个分析过程的控制 。该程序将 V B界面程序 操作简单 、使用方便 的优点和 A B A Q U S强大 的有 限元分析能力融为一体。用户只需输入诸如接头尺 寸 、材料特性 和载荷 等参 数 ，系统 就能 自动调用 A B A Q U S计算程序进行 网格划分 、加载 以及求解 ， 并读取 A B A Q U S计算 得到的结果文件 ，进 行结果 云图显示 、强度校核等后处理工作。整个程序的框 架结构如图 2所示。 模型 参数 VB 界 面程 序 模 型参 数设 置模 块 ---- I I 修 AB AOUS ／ P y t h o n 命令流 睦堕 垫 I 生 成 4 _ _ 塑 硐 塑 盘 圆 图 2程 序 整 体 框 架结 构 2 ． 2主要 功 能模块 的实现 参数化建模功能靠 V B界面程序的模型参数设 置模块和 A B A Q u s ／ P y t h 0 n命 令流 的参数化建模部 分共同完成 。V B界面程序 的模型参数设 置模块可 以进行设置的参数包括模型尺寸 、材料特性 、载荷 参数和网格密度参数 ，并可以进行英制与国际单位 的换算 。A B A Q u s ／ P y t h o n命 令流 的参 数化建模 部 分通过 A B A Q U S建模语言 和 P y t h o n语 言的嵌套来 实现建模 过程 的参数化 。为 了使用 A B A Q U S的建 模语言 ，首先需 要采用 f r o m a b a q u s i m p o fl 、f r o m a b a q u s C o n s t a n t s i m p o fl 等命令 导人 相关 的重要模 块。导人 a b a q u s 模 块后就可 以在脚本 中采用 m d b 对象 ，导 人 a b a q u s C o n s t a n t s 模块后可 以在脚本 中 使用 A B A Q U S预定义 的一些参数 ，之后 便可进行 模型创建。在建立模型之前 ，通常会先定义螺栓的 一 些基本参数 ，以方便对模型的修改。 后处理功能包括结果云图的查看和极值应力的 提取 。A B A Q u S ／ P y t h o n命令 流的后处 理部分 负责 结果云图的生成和极值应力 的计算 。V B界面程序 的结果图片显示模块和接头强度校核模块负责结果 图片和校核报告的显示 。A B A Q U S支持 的图片输 出 格式有 P S 、E P S 、P N G、T I F F和 S V G，为了方便地 使用 V B进行显示 ，这里选用 的是 P N G格式。 A B A Q U S输 出数据库 中的结果数据包括分析步 一 盛 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 3期 中一系列的框架 、场变量输出和历史变量输 出。不 同类型的数据在 A B A Q U S中表示 为不 同的对象模 型。利用面 向对象 的 P y t h o n语 言可以对 A B A Q U S 中的这些对象进行有效操作。极值应力的提取可以 先从相关文件中提取 目标应力集合 ，然后通过循环 找出集合中数据 的极值。V B界面的强度校核模块 读取 P y t h o n程序生成 的极值结果 ，与规范规定 的 强度条件进行 比较 ，并显示校核报告。 3 分析 实例 为了验证软件的有效性和准确性 ，选用 C a m e r o n 公司的某等级 R F型钻井隔水管法兰接头进行 分析 。图3和图4分别为分析所得到的上法兰等效 应力云图和螺栓等效应力云图。由图 3可以看出， 上法兰在螺栓沉孔和与主管的连接处存在最大的应 力 ，法兰接头边缘 与主管的连接处也具有较大应 力 ，说明这些地方是法兰接头的易损部位。由图4 可以看出，螺栓的最大等效应力发生在螺栓肩部。 这些都与实际情况吻合。 图 3 上 法兰等效应力云图 图 4螺栓等效应力云图 接头的强度校核结果表明，校核所用到的材料 极限为 法兰材料极限 6 0 0 M P a ，螺栓 采用 1 0 ． 9 级高强度螺栓 ，材料强度极限 9 0 0 MP a 。法兰和螺 栓在轴向载荷和预紧力的作用下各项应力都符合要 求 ，接头整体是安全的。 由上面的实例可以看出，所开发的深水钻井隔 水管法兰接头有 限元分 析程 序界面友好 ，操作简 单 ，计算结果与实际情况吻合。 4 结束语 笔者 以 A B A Q U S软件 为求 解器 ，结合 P y t h o n 语言和 V B语言开发了深水钻井隔水管接头的有限 元分析程序。程序采用参数化建模方式 ，对复杂的 A B A Q U S命令流进行后台封装 ，操作简单 ，使用方 便 ，可为深水钻井隔水管法兰接头的设计和分析提 供快速应用工具 。同时，也为基于 V B和 P y t h o n ／ A B A Q U S开 发专 业 领 域 有 限元 分 析 程 序 提供 了 参考 【 2 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 API S p e c i f i c a t i o n 1 6R，Sp e c i f i c a t i o n f o r ma r i ne d ril l i n g r i s e r c o u p l i n g s[ S ]． A m e r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ，1 9 9 7． 畅元江 ，陈国明 ，鞠 少栋 ．国外 深水钻井 隔水管 系 统产品技术现状与进展 [ J ]．石油机械，2 0 0 8 ，3 6 9 2 0 5 2 0 9 ． Fa s s i n a P，Gu a g l i a n o M ， La ma r i L， e t a 1 ．F a i l u r e a n a l y s i s o f a n o ni n t e g r a l p i p e l i n e c o l l e t c o n n e c t o r [ J ]． E n g i n e e ri n g F a i l u r e A n a l y s i s ，2 0 0 5 ，1 2 3 7 1 1 71 9． Ba ha i H． A p a r a me t ric mo de l for a x i a l a nd be n d i n g s t r e s s c o n c e n t r a t i o n f a c t o r s i n API dr i l l s t r i n g t h r e a d e d c o nn e c t o r s[ J ]． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l s a n d P i p i n g ，2 0 0 1 ，7 8 7 4 9 5～ 5 0 5 ． Ga r y L F， Ro b e r t G．An a l y s i s o f t h e HMF r i s e r c o nn e c t o r[ J ]． O C E A N S ，1 9 8 4 ，1 6 6 5 6 6 6 1 ． 第一作者简介 王荣耀 ，在读 硕士研究生 ，生 于 1 9 8 5 年，主要研究方向为深水钻井技术与装备、计算机辅助工 程与仿真技术等 。地址 2 5 7 0 6 1 山东省 东营市。E ma i l r o n g y a o ． W a n g 1 6 3． c o n。 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 6 本文编辑南丽华