方钻杆旋塞阀的三维有限元接触分析.pdf

2 0 1 2年第 4 0卷第 7期 石 油机械 C HI NA PE TROL E UM MAC HI NE RY 一2 5 一 钻 井技术 与装 备 方钻 杆旋 塞 阀的三维有 限元接触分析 张彤林 曹 向利 曲 成 中国石 油冀 东油田公 司勘探 开发 建设 项 目部 摘要 为 了对方钻杆旋塞阀的旋钮、十字拨块和球 阀之间的互作用 情况进行分析，找 出旋钮 和十字拨块 的应力薄 j 点，建立 了旋钮、十字拨块和球 阀的三维有限元模型。采用 C 3 D 4单元对 模型进行 网格划分，限制球阀底端截面的所有 自由度，限制旋钮和十字拨块 方向的移动和 l ， 、z 方向的转动 自由度，扭矩通过旋钮 内六方孔 中心上方的耦合点施加在旋钮 内六方孔上。分析结果 表 明，十字拨块在旋转方 向一侧的外侧边缘处应力最大，且应力最大处 与十字拨块的失效位 置相 同；十字拨块的变形状态与失效后的塑性变形相同。 关键词 方钻杆 ；旋塞阀；十字拨块 ；球 阀；接触分析 ；失效形式 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 70 0 2 50 4 Thr e e - d i me ns i o n a l Fi n i t e El e me nt Co n t a c t Ana l y s i s o f Ke l l y Co c k Va l v e Z h a n g T o n g l i n C a o X i a n g l i Q u C h e n g D e p a r t m e n t o f P r o s p e c t i n g a n d D e v e l o p m e n t C o n s t r u c t i o n P r o j e c t ， P e t r o C h i n a J i d o n g O i e l d C o m p a n y Abs t r a c t To ma ke a n a n a l y s i s o f t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e k n o b，c r o s s p i e c e a nd b a l l v a l v e o f k e l l y c o c k v a l v e a nd t o fin d o u t t h e s t r e s s we a k p o i n t o f t h e k n o b a n d c r o s s p i e c e，t h e t h r e e d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e kn o b，c r o s s p i e c e a n d ba l l v a l v e wa s e s t a b l i s h e d ．Th e C3 D4 u n i t wa s a d o p t e d t o c o n d u c t a me s h g e n e r a t i o n o f t h e mo d e l ，r e s t r i c t i n g a l l t h e d e g r e e o fe e d o m o f t h e c r o s s s e c t i o n a t t h e b o t t o m o f t he b a l l v a l v e a s we l l a s t h e mo v e me n t i n t h e X d i r e c t i o n o f t h e k n o b a n d c r o s s pi e c e a n d t h e r o t a t i n g d e g r e e o fe e d o m i n t h e i r Y a n d Z di r e c t i o n s ． Th e t o r q u e wa s i mp o s e d o n t h e h e x a g o n a l ho l e wi t h i n t h e k n o b t h r o u g h t h e c o u p l i n g p o i n t a b o v e t h e c e n t e r o f t h e h e x a g o n a l ho l e wi t h i n t h e k n o b ． T he a n a l y s i s s ho ws t ha t t h e ma x i mum s t r e s s o c c u r s o n t h e e d g e o f t h e o u t e r s i d e i n t h e r o t a t i n g d i r e c t i o n o f t h e c r o s s p i e c e a n d t h e po s i t i o n o f t h e ma x i mu m s t r e s s r e ma i n s t he s a me a s t h a t o f f a i l u r e ． T he d e f o r ma t i o n s t a t e o f t h e c r o s s p i e c e i s t h e s a me a s t he p l a s t i c d e f o r ma t i o n a f t e r f a i l u r e ． Ke y wor dsk e l l y； c o c k v a l v e； c r o s s pi e c e； b a l l v a l v e； c o n t a c t a n a l y s i s ； f a i l u r e f o r m 0 引 言 近年来 ，随着油气资源勘探开发难度 的不断加 大，对钻井工具提出了越来越高的要求 ，而 目前使 用 的方钻杆旋塞 阀接连出现壳体裂纹或断裂 ，球阀 与阀座之间密封失效 、阀座刺坏 ，球 阀与本体问被 钻井液充填 ，阀座密封面锈蚀或施工钻井液进入腔 室固死旋塞 阀等事故 ，给油气 田钻井带来 巨大经济 损失 ，严重时甚 至诱发井 喷事故。王世 宏等 对 方钻杆旋塞阀的断裂进行 了分析 ；T a r r B A等 介 绍了一种新 型的方钻杆旋塞 阀结 构；陈浩、谢娟 等l 3 I 4 提 出了旋塞阀的主要失效形式 ；肖晓华等 建立 了方钻杆旋塞 阀的失效故 障树模 型；何玉发 等 对方钻杆旋塞阀的失效力学机理进行 了分析。 但以上文献都没有对旋塞阀的旋钮 、十字拨块和球 阀之间的互作用情况进行分析 ，因此有必要对方钻 杆旋塞阀的旋钮 、十字拨块和球阀进行三维有限元 基金项 目国家油气重大专项 “ 深水钻井工程设计关键技术研究” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 60 0 1 一 O 1 。 石 油机械 2 0 1 2年第4 0巷第 7期 M 6 F L 6 F Rs i n 3 0 。 3 F R 3 式中 F 抢关扳手和旋钮内六方孔 之间的正压 力 ，N； 抢关扳手的外接圆半径 ，m。 当旋钮内六方孔上施加 8 1 3 N m 的极限扭矩 时 ，旋钮孔受到 2 ． 1 X 1 0 N的正压力 。由图 4可 知 ，旋钮孔内最大的 Mi s e s 应力为 2 8 1 MP a ，旋钮 孔的强度满足要求 ，这与文献 [ 7 ]的分析结果一 致。因此旋钮孔尺寸的变大 主要是 由于开关旋塞 时，瞬间扭矩过大而引起的塑性变形造成的。 4 结论与建议 笔者分 析了方钻杆旋 塞阀十字拨块 的失效形 式 ，并针对其失效形式进行了旋钮 、十字拨块和球 阀的三维有限元接触分析。分析结果显示 ，十字拨 块在旋转方 向一侧 的外侧边缘处应力最大 ，且应力 最大处与十字拨块的失效位置相同；十字拨块的变 形状态与失效后 的塑性变形相同。根据计算结果建 立了不同开关扭矩时，旋钮 、十字拨块和球 阀的最 大 Mi s e s 应力和最大应变模 型。针对计算结果 ，提 出以下建议 ①提高旋钮 、十字拨块和球 阀接触区 域外侧边缘处的屈服应力 ；②在阀心、阀座及旋塞 阀本体之间的空隙里填充填料，防止钻井液进入后 固结而给阀心带来开关阻力 ；③在旋钮对边增加 1 个旋钮 ，正常情况下 ，用 1个旋钮开关 ，在力矩较 大的情况下 ，可 以使用 2个扳手进行开关操作 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 参考文献 王世宏 ，冯耀荣 ．方钻杆上部旋塞阀失效分析及其 改进 建 议 [ J ] ．石 油工 业 技 术监 督，1 9 9 7 ，1 3 7 1 0 ． Ta r r B A ，Lu y R， Ra bb y G， e t a 1 ．Ne w g e n e r a t i o n dr i l l s t r i n g s a f e t y v a l v e s[ C]／ ／ S P E 3 9 3 2 0 ，I A D C ／ S P E D r i l l i n g C o n f e r e n c e ， Ma r c h 36， 1 9 9 8 ． 陈浩，宋周成，王晓萍，等 ．方钻杆旋塞阀的失 效分析 [ J ] ．天然气工业，2 0 0 7 ，2 7 1 2 8 0 8 2 ． 谢娟，王德玉，李才 良，等 ．方钻杆旋塞阀的失 效与 受力 分 析 [ J ] ．石 油矿 场 机 械，2 0 0 7 ，3 6 1 2 4 95 1 ． 肖晓华，朱海燕 ，刘清友 ，等 ．方钻杆旋塞阀故障 树的建 立 和分析 [ J ] ．机 械设 计与 制造 ，2 0 0 9 4 3 1 3 3 ． 何玉发，朱海燕 ．方钻杆旋塞阀失效 的力学机理 [ J ] ．重庆科技学院学报自然科学版，2 0 1 1 ，1 3 4 1 1 51 1 8 ． 朱 海燕 ，李军 刚，张敏 ，等 ．方钻 杆旋 塞阀 的故 障分析和改进 [ J ] ．机械工程师，2 0 0 8 1 1 0 7 1 08 ． 第一作者简介 张彤林 ，工程师 ，生于 1 9 6 9年 ，1 9 9 1 年毕业 于石油大学 华东 ，现从事生 产管理 工作 。地址 0 6 3 2 0 0 河北省唐 山市 。Em a i l j d y t z t l 1 2 6 ． c o n l 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 0 本文编辑王刚庆 下期部分文章预告 磨损套管抗内压强度试验与有限元分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 冯进李东海张曼来等 旋扣套管吊卡设计及有限元分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 韩飞 李晓敏纪友哲等 液压 自动吊卡技术现状及发展建议 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 何鸿闰永宏王德贵等 影响膨胀尾管悬挂器悬挂力的因素分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 姜向东姚辉前 煤层气水平井完井用塑料筛管优化设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 付利 申瑞 臣 苏海洋等 基于 A D A MS的正排量控制机构设计仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 林雅玲崔凯马汝涛等 WT Q 2 4 5 一 N微牙痕套管钳的研制与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 黄进云舒尚文孙起 昱等 井眼防碰监测中的风险信号特征识别 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 刘 刚 陈超杨全枝等 裂缝充填模拟试验装置的研制 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 郭天魁张士诚王雷等 新型可带压作业抽油泵的研制与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王依明 唐玉成程建军等 易起式高压多层压裂管柱的研究与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 杨康敏胡英才 李家明等