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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
油田固井浮體在固井過程中起著控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用。如果浮體失效，會(huì)降低固井質(zhì)量，甚至引發(fā)事故。因此對(duì)浮體的耐高溫、耐高壓性能進(jìn)行檢驗(yàn)有利于提高我國(guó)固井的質(zhì)量。本論文參照美國(guó)API（美國(guó)石油學(xué)會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)，建立一套對(duì)浮體進(jìn)行高溫高壓性能檢驗(yàn)的裝置，使其能模擬浮體井下高溫、高壓和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的環(huán)境，該系統(tǒng)包括高溫高壓工作艙、加熱系統(tǒng)和排油冷卻系統(tǒng)等部分。
本文首先進(jìn)行了高溫高壓工作艙的設(shè)計(jì)。工作艙中的高壓釜是在高溫高壓環(huán)境下工作，其強(qiáng)度校核至關(guān)重要。本文在設(shè)計(jì)時(shí)采用了有限元分析方法對(duì)釜體進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合分析，驗(yàn)算其最大應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。此外對(duì)工作艙上蓋等其它組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本文還對(duì)排油冷卻系統(tǒng)和注油系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在確定了換熱器類型的基礎(chǔ)上，通過換熱計(jì)算對(duì)傳熱面積進(jìn)行校核，從而確定換熱器尺寸，并對(duì)注油回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
最后在完成加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行了試驗(yàn)。加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括加熱類型的確定，爐膛尺寸和安裝功率的計(jì)算。并對(duì)加熱加壓流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定各測(cè)量溫度。利用所研制的浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)提出了加熱加壓規(guī)程。
該項(xiàng)目的完成，不僅能檢驗(yàn)我國(guó)浮體產(chǎn)品的質(zhì)量，為企業(yè)增效益，提高浮體產(chǎn)品的售價(jià)，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，還可使浮體產(chǎn)品直接進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，有利于產(chǎn)品出口創(chuàng)匯以及推動(dòng)我國(guó)石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)在國(guó)際社會(huì)的地位。
關(guān)鍵詞 浮體；高壓釜；ANSYS；高溫高壓性能
Abstract
The oil-well cementing float equipment is used in controlling the speed to infuse the cement to the well and avoiding the cement to flow backward in the process of oilfield well-cementing. If the cementing float equipment is failure the quality of oil-well cementing will be reduced and it can even causing accident. It is important to detecting the capacity of high-temperature and high-pressure (HTHP) for the cementing float equipment so as to improve the quality of oil-well cementing in our country. A kind of testing equipment that to detect performance of the HTHP was established referring to the American API standard in this paper. It can simulate the environment of where HTHP condition and long time continuous work. The HTHP workspace furnace system and cooling system etc. were included in this system.
First, the HTHP workspace was designed in this paper. The HP vessel in workspace works in the environment of high-temperature and high-pressure and it is important to calculate its intension. In order to design reliable, the couple analysis of heat-stress was done to the cementing float equipment body using the finite element method so as to check whether the maximum stress to meet the design requirements. Additionally, the structure of the top cover of workspace and its components were designed in this paper too.
Secondly, the cooling system of discharging and oiling system were designed on the basis of determining the type of heat transfer. It was checked to the heat-transfer areas through calculated the dimensions were determined by it and the noting oil circuit system was designed.
At last, the experiment was done after the furnace system has been designed. The furnace system design includes determining the type of heating furnace and calculating the dimensions of chamber of the furnace and the installed power. The heating and pressing process was set up to measure the temperature. The test was done by using the HTHP equipment and the regulations of this system were given according to the test.
It is not only to test the quality of the float products increase efficiency for business raise the price of float products expand the domestic market, but also to make the products enter into the international market directly. It can conducive to make products export as well as to push the oil industry development and improve the position of our country in international society.
Keywords cementing float equipment；HPvessel；ANSYS；HTHP performance
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 課題來源及研究目的和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況 2
1.2.1 國(guó)內(nèi)高壓釜研究狀況 2
1.2.2 國(guó)外高壓釜研究狀況 3
1.3 有限元在高壓釜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 4
1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容 5
第2章 高溫高壓工作艙設(shè)計(jì) 7
2.1 浮體簡(jiǎn)介及浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成 7
2.1.1 浮體簡(jiǎn)介 7
2.1.2 浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成 9
2.2 工作艙總體設(shè)計(jì) 10
2.2.1 工作艙設(shè)計(jì)參數(shù)確定 10
2.2.2 工作艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 11
2.3 釜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 13
2.3.1 釜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
2.3.2 釜體強(qiáng)度有限元分析 17
2.4 工作艙上蓋組件設(shè)計(jì) 24
2.5 聯(lián)接預(yù)緊力矩計(jì)算 26
2.6 本章小結(jié) 30
第3章 排油冷卻系統(tǒng)及注油系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31
3.1 換熱器分類 31
3.2 換熱器設(shè)計(jì) 31
3.2.1 換熱計(jì)算 31
3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 36
3.4 注油系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37
3.4.1 注油系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37
3.4.2 液壓站及管路設(shè)計(jì)要求 37
3.5 本章小結(jié) 38
第4章 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn) 39
4.1 加熱方式及加熱爐結(jié)構(gòu) 39
4.1.1 加熱類型及爐型分類 39
4.1.2 加熱爐設(shè)計(jì)要求 39
4.1.3 爐膛尺寸計(jì)算 40
4.2 加熱加壓流程設(shè)計(jì) 41
4.2.1 主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳感器作用 41
4.2.2 系統(tǒng)加熱加壓流程設(shè)計(jì) 41
4.3 本章小結(jié) 43
結(jié) 論 44
致 謝 45
參考文獻(xiàn) 46
附錄1 譯文 47
附錄2 英文參考資料 50
-47-
第1章 緒 論
1.1 課題來源及研究目的和意義
本課題來源于大慶市紅崗鉆井工具中試廠,為保證固井關(guān)鍵件油田固井浮體（簡(jiǎn)稱浮體）產(chǎn)品質(zhì)量，依據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）的標(biāo)準(zhǔn)，建立一套浮體性能檢驗(yàn)裝置。
固井是在鉆井、下入套管后，在套管的周圍加注水泥，如圖1-1所示。
1-水泥漿2-套管3-水泥4-浮體
圖1-1 井下灌注示意圖
固井是鉆井工程中的重要環(huán)節(jié)，其主要目的是封隔井眼內(nèi)的油層和水層，保護(hù)油井套管、增加油井壽命以及提高產(chǎn)油量。在整個(gè)固井過程中，固井工具及附件的工作情況是影響固井質(zhì)量的重要因素，有的固井工具甚至是固井成敗的關(guān)鍵。固井工具在井下是否正常工作，除受地面操作的影響，井下環(huán)境也會(huì)影響固井工具的工作情況。浮體是油田固井過程中的一個(gè)關(guān)鍵工具。工作在超過1000m深度的地下，需要承受35MPa的高壓和230℃的高溫，同時(shí)工作中承受水泥的長(zhǎng)時(shí)間沖蝕。浮體起著控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用，如果浮體失效，就會(huì)使固井質(zhì)量下降，甚至引發(fā)事故。因此保證浮體質(zhì)量是保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵。所以，建立浮體耐高溫、耐高壓、耐沖蝕性能的檢驗(yàn)裝置是非常必要的。它的完成可以檢驗(yàn)我國(guó)浮體產(chǎn)品的質(zhì)量，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)還可以使浮體直接進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。為企業(yè)增加效益，并有利地推動(dòng)我國(guó)石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。
浮體性能檢驗(yàn)裝置包括高溫高壓性能和沖蝕性能檢驗(yàn)兩部分。本文就高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置的研制加以闡述。浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置的基本組成包括：高溫高壓工作艙、加熱系統(tǒng)、排油冷卻系統(tǒng)、注油系統(tǒng)等。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置是模擬井下的高溫高壓工作環(huán)境，對(duì)浮體的耐高溫、耐高壓性能進(jìn)行檢驗(yàn)的裝置。其中高溫高壓工作艙是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本文僅就構(gòu)成工作艙的高壓釜國(guó)內(nèi)外研究情況進(jìn)行闡述。
1.2.1 國(guó)內(nèi)高壓釜研究狀況
我國(guó)高壓容器的研究已有很長(zhǎng)的歷史，而超高壓技術(shù)也開始于上世紀(jì)50年代末，當(dāng)時(shí)第一套超高壓聚乙烯中試裝置建立，所有超高壓管式和釜式的反應(yīng)器全都是國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造的。上世紀(jì)60年代初人造水晶釜國(guó)產(chǎn)化初露頭角，至90年代初超高壓水晶釜制造能力達(dá)到500臺(tái)/年以上，反應(yīng)釜規(guī)格從內(nèi)徑200mm、250mm、280mm、300mm到400mm已形成系列，其質(zhì)量也與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)。可以認(rèn)為高壓容器的研究、設(shè)計(jì)、制造在我國(guó)已經(jīng)逐步形成一門綜合性很強(qiáng)的專業(yè)學(xué)科。
如圖1-2所示為射孔器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)用工作艙結(jié)構(gòu)，主要包括釜蓋、釜體、磁力耦合器、測(cè)溫元件、壓力表、內(nèi)冷卻盤管、推進(jìn)式攪拌器、加熱爐等。該檢測(cè)裝置的工作原理：將被檢射孔器置于超高壓釜內(nèi)，再注入耐高溫液壓油，然后對(duì)釜內(nèi)液壓油進(jìn)行加壓、加溫，模擬深井井下高溫超高壓環(huán)境，同時(shí)檢測(cè)射孔器的性能。
我國(guó)于上世紀(jì)70年代開始自行設(shè)計(jì)500L大容積高壓攪拌釜。經(jīng)過不斷的摸索和實(shí)驗(yàn)，高壓釜的設(shè)計(jì)方法也由過去的設(shè)計(jì)計(jì)算、打壓試驗(yàn)到建立國(guó)標(biāo)、編寫手冊(cè)再到運(yùn)用有限元分析法等不斷的向世界先進(jìn)行列靠攏。
1.2.2 國(guó)外高壓釜研究狀況
一直以來國(guó)外在壓力容器的設(shè)計(jì)和制造方面都領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。美國(guó)機(jī)械工程
1-磁力耦合器2-測(cè)溫元件3-壓力表/防爆膜裝置4-釜蓋5-釜體
6-內(nèi)冷卻盤管7-推進(jìn)式攪拌器8-加熱爐裝置9-電機(jī)10-針型閥
圖1-2 射孔器檢測(cè)用工作艙結(jié)構(gòu)
師協(xié)會(huì)（ASME）在1914年制訂了第一部《鍋爐規(guī)范》標(biāo)志著壓力容器的安全有了基本的保證。ASME于1979年編制了壓力為70~1400Mpa超高壓容器的設(shè)計(jì)規(guī)范，之后又頒布了ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第Ⅷ篇第3分篇《Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels》和第Ⅺ篇《玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓力容器》。歐盟也于1987年和1997年分別通過了“簡(jiǎn)單壓力容器法規(guī)”(87/404/EEC)和“承壓設(shè)備法規(guī)”(97/23/EC)。
目前在高壓容器制造方面，日本、俄羅斯是以內(nèi)徑600~1200mm大型高壓釜為主，單產(chǎn)可達(dá)1800~2000kg。大型高壓釜普遍采用壓力較低的生長(zhǎng)工藝，約為80 MPa，因而對(duì)加熱控制系統(tǒng)及電力質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。日本三菱重工已建成1000MPa和1000℃的超高溫裝置，其容器系用SVS630、GTi135、DAC和YXMI等四種材料構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)K=6的厚壁容器，內(nèi)徑為90mm，筒體長(zhǎng)度為640mm。東京大學(xué)超高壓研究在室溫下已達(dá)到的壓力是500GPa，在1600℃高溫條件下可達(dá)到的最高壓力是25GPa。
國(guó)際上“有限元”這個(gè)名詞于1965年開始出現(xiàn)，上世紀(jì)70年代該方法開始用于高壓釜設(shè)計(jì)、汽車、船舶等制造領(lǐng)域。而我國(guó)則是在上世紀(jì)90年代才在高壓釜設(shè)計(jì)上使用有限元分析方法，因此在高壓容器設(shè)計(jì)方法上國(guó)外要遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國(guó)。
1.3 有限元在高壓釜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
浮體性能檢驗(yàn)用高壓釜屬于高壓容器，是典型的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)。由于操作條件非?？量?，設(shè)備的各部位應(yīng)力分布很不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至發(fā)生斷裂性破壞。所以，通過對(duì)高壓釜進(jìn)行詳盡的應(yīng)力分析，可以有針對(duì)性地在設(shè)計(jì)或制造時(shí)加以控制，必要時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，保證設(shè)備的安全要求。
目前壓力容器及其部件的設(shè)計(jì)可分為基于彈性失效準(zhǔn)則的“規(guī)則設(shè)計(jì)”(Design by Rule)和基于塑性失效準(zhǔn)則的“分析設(shè)計(jì)”(Design by Analysis)。其中分析設(shè)計(jì)法是工程與力學(xué)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅能解決壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)所不能解決的問題,而且代表了近代設(shè)計(jì)的先進(jìn)水平。我國(guó)分析設(shè)計(jì)規(guī)范是在美國(guó)ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范第八卷第2分篇的基礎(chǔ)上建立起來的，并于1995年在全國(guó)開始實(shí)施。
過去我們?cè)谠O(shè)備的設(shè)計(jì)方面，通常采用傳統(tǒng)方法即人工計(jì)算的方法。為了安全起見，設(shè)計(jì)者往往選取較高的安全系數(shù)，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)出的設(shè)備無論是在體積上、重量上還是筒體壁厚方面都較笨拙，在計(jì)算精度上離設(shè)計(jì)要求也相去甚遠(yuǎn)。在設(shè)計(jì)承受內(nèi)壓（且其內(nèi)部壓力不穩(wěn)定）的壓力容器過程中，想要通過人工計(jì)算的方法來準(zhǔn)確描述其載荷則更是無法實(shí)現(xiàn)，只能依靠工程實(shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)值來估算設(shè)計(jì)中需要的一些參數(shù)。這樣所得到的結(jié)果誤差會(huì)很大，設(shè)計(jì)出的設(shè)備不論是外觀上還是性能上都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。但有限元分析方法誕生后，利用這種快捷、準(zhǔn)確又有效的方法，對(duì)壓力容器特別是高壓和超高壓容器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，所設(shè)計(jì)出的設(shè)備不僅質(zhì)量輕、體積小、節(jié)約材料，而且可以大大的節(jié)約產(chǎn)品在開發(fā)和生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的成本，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。為了滿足自動(dòng)化、大型產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)要求，現(xiàn)在已開發(fā)出了能夠適應(yīng)各種設(shè)計(jì)要求的有限元分析軟件，不僅可以使產(chǎn)品批量、系列化的生產(chǎn)，還可以進(jìn)行非常規(guī)工藝、非常規(guī)結(jié)構(gòu)，參數(shù)復(fù)雜的多種設(shè)備的應(yīng)力較集中部分的校核。綜合以上各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，有限元分析方法已逐漸成為壓力容器設(shè)計(jì)過程中所不可或缺的一種重要工具。
“有限單元法”這個(gè)名稱自1960年由Clough提出以來，至今已走過五十多個(gè)春秋，無論是在理論研究方面還是在其技術(shù)應(yīng)用方面都得到了迅猛的發(fā)展，它的理論以及計(jì)算方法也都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。有限單元法（finite element method,簡(jiǎn)稱FEM）是通過求解數(shù)理方程，然后再將計(jì)算機(jī)軟件同計(jì)算數(shù)學(xué)等理論有機(jī)結(jié)合起來的數(shù)值分析技術(shù)，是一種極佳的解決工程實(shí)際問題的分析計(jì)算方法。
有限單元法的主要思想就是將連續(xù)體的求解域進(jìn)行離散化處理，然后再將所有的邊緣結(jié)點(diǎn)重新連接成一個(gè)主體。這樣就把原來的無窮自由度問題轉(zhuǎn)化成了有限自由度問題，從而建立常微分方程組，通過對(duì)其求解來解決常規(guī)理論分析所解決不了的工程實(shí)際問題。
最早的有限元分析軟件是在1965年誕生的，它是由美國(guó)計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司受美國(guó)國(guó)家宇航局委托進(jìn)行開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)展至今已開發(fā)出很多種版本。另外，德國(guó)設(shè)計(jì)開發(fā)的ASKA，英國(guó)設(shè)計(jì)開發(fā)的PAFEC，法國(guó)設(shè)計(jì)開發(fā)的SYSTUS以及美國(guó)設(shè)計(jì)開發(fā)的ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS等都是現(xiàn)在較知名的有限元分析軟件。
目前國(guó)際上最流行的有限元軟件是ANSYS軟件，該軟件將結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及聲場(chǎng)分析融為一體，并且它還被廣泛的應(yīng)用于各科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)在解決工程實(shí)際問題中也經(jīng)常使用該軟件。例如在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、土木工程、電子電氣、國(guó)防軍工、造船、鐵道、汽車和石化能源等領(lǐng)域，它已成為必備的一種工具。該軟件的另一優(yōu)點(diǎn)就是可以在任意計(jì)算機(jī)的所有系統(tǒng)和平臺(tái)中進(jìn)行操作，其兼容性非常好。
ANSYS還具有分析非結(jié)構(gòu)場(chǎng)問題、模擬流-熱-固、土壤滲流、電-熱、耦合電磁、熱-結(jié)構(gòu)、電-熱-結(jié)構(gòu)以及聲-結(jié)構(gòu)等多種耦合場(chǎng)的能力。因此本課題采用ANSYS來完成高壓釜的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有限元分析。
1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容
本課題研究的是如何建立一套能模擬浮體井下高溫、高壓和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工 作的環(huán)境對(duì)浮體進(jìn)行高溫高壓性能的檢驗(yàn)裝置。本文主要工作內(nèi)容如下：
（1） 對(duì)高溫高壓工作艙進(jìn)行設(shè)計(jì)。先建立系統(tǒng)模型，再確定釜體及其上蓋組件的各項(xiàng)參數(shù)。
（2） 高壓釜強(qiáng)度有限元分析。研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力對(duì)釜體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，并在模擬溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力的分析，提出優(yōu)化意見。
（3） 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)是確定安裝功率和各區(qū)測(cè)量溫度，并通過試驗(yàn)確定加熱加壓規(guī)程。
（4） 排油冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過換熱量計(jì)算，確定其各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證試驗(yàn)后釜內(nèi)介質(zhì)可快速冷卻后回到儲(chǔ)油池中。
（5） 注油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的液壓回路要能夠保證提供系統(tǒng)工作所需的壓力。
第2章 高溫高壓工作艙設(shè)計(jì)
2.1 浮體簡(jiǎn)介及浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成
2.1.1 浮體簡(jiǎn)介
（1）浮體結(jié)構(gòu)
如圖2-1所示為浮體結(jié)構(gòu)。浮體由閥芯、彈簧、固水泥、套管等部分組成。在固井過程中，具有一定壓力的水泥漿利用彈簧的彈性流入套管外面，從而起到固井的作用。
a) 外觀圖 b)結(jié)構(gòu)圖
1-閥芯2-彈簧3-固水泥4-套管
圖2-1 浮體結(jié)構(gòu)
（2）浮體在固井過程中的作用
① 防止被注到套管外壁環(huán)空中的水泥漿沿套管內(nèi)壁上返
如圖2-2所示按照U形管原理，如果套管內(nèi)壓力不足，在沒有浮體時(shí)，注到環(huán)形空腔中的水泥漿會(huì)倒流到套管內(nèi)。而在固井時(shí)若套管內(nèi)壓力過大又會(huì)導(dǎo)致環(huán)空中的水泥產(chǎn)生孔隙。所以不采用加大套管內(nèi)壓力的方法來固井。浮體的單向閥作用避免了U形管現(xiàn)象，只允許水泥漿保留在空中，不會(huì)倒灌入套管內(nèi)，同時(shí)還不會(huì)增加套管內(nèi)壓力。
1-套管2-套管內(nèi)3-套管外4-井壁5-浮體
圖2-2 U型管原理
② 防止地層流體向上流動(dòng)
一些油井鉆到一定深度后就會(huì)有液體出現(xiàn)，用浮體來控制流體液面是很重要的。如果套管內(nèi)靜壓力低于底部附近地層的壓力時(shí)，井眼內(nèi)的液體就會(huì)有向管內(nèi)流動(dòng)的趨勢(shì)。此時(shí)，浮體裝置起到重要的控制作用。
③ 減少鉆機(jī)負(fù)載
油井浮體所具有的特殊裝置，減少了過流端面，這是因?yàn)楦◇w具有防止流體在套管內(nèi)向上流動(dòng)的作用。下套管時(shí)，使用此裝置所產(chǎn)生的向上的浮力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有此裝置時(shí)的浮力。而鉆機(jī)負(fù)載是避免套管下降速度過快的向上的拉力，所以有了浮體可以減少鉆機(jī)負(fù)載。
④ 減慢水泥漿自由下落
由于水泥漿的密度大于套管內(nèi)液體的密度，這樣水泥漿和套管內(nèi)液體存在密度差，這將導(dǎo)致水泥漿產(chǎn)生自由下落的傾向。而浮體減少了過流端面，在一定程度上減慢了水泥漿的自由下落。
（3）浮體的主要性能
①耐高溫性能
浮體工作環(huán)境的溫度最高達(dá)230℃。浮體構(gòu)成材料應(yīng)具備耐高溫的性能，即在230℃的情況下仍能正常工作。
② 耐高壓及反向承壓能力
浮體工作環(huán)境壓力近35MPa，所以浮體必須具有耐高壓能力。另外，固井之后，環(huán)空中液體所產(chǎn)生的靜壓力大于相應(yīng)的套管內(nèi)液體的靜壓力，浮體必須具有抵抗作用于單向閥的高壓所產(chǎn)生的壓差的能力。
③ 抗磨蝕性能
在固井過程中泥漿中所含有的高硬度顆粒對(duì)浮體產(chǎn)生磨蝕，這就要求浮體具有足夠的抗磨蝕性能。在工作周期內(nèi)，各個(gè)部位或溫度壓力上升的情況下，此裝置仍能正常工作。
④ 流動(dòng)阻力及反向流動(dòng)阻力
由于浮體流動(dòng)路徑上有一定的結(jié)構(gòu)，因而流體通過浮體循環(huán)時(shí)將產(chǎn)生壓力損失。用浮體的流動(dòng)阻力來估計(jì)壓力損失，如果流體通過浮體時(shí)的壓力損失過大，循環(huán)速度將受到限制。當(dāng)然，在某些情況下，希望有較大的壓力損失，其目的是減少套管內(nèi)水泥漿自由下落的速度。
閥體的反向流動(dòng)阻力是衡量浮體壓力浮動(dòng)性能的指標(biāo)。下套管時(shí)允許地層液體從套管下端向上流入到套管內(nèi)，以減少下套管時(shí)的壓力波動(dòng)。
⑤ 可鉆性
浮體屬于一次性工具，固井后浮體無法取出，需要鉆碎。所以在選擇構(gòu)成浮體的材料時(shí)要考慮其可鉆性。
2.1.2 浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成
浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置是模擬井下的高溫（230℃）、高壓（35MPa）工作環(huán)境，完成浮體的耐高溫、耐高壓性能的檢驗(yàn)。本系統(tǒng)采用釜外加熱，通過釜內(nèi)介質(zhì)—硅基油，達(dá)到試件所需的溫度。再通過封閉的液壓回路，使釜內(nèi)達(dá)到試件所需壓力，實(shí)現(xiàn)井下工況的模擬。
系統(tǒng)包括：
高溫高壓工作艙：形成封閉的試件容器，通過加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)達(dá)到所需的高溫和高壓；
加熱系統(tǒng)：提供檢測(cè)溫度所需的熱量，并根據(jù)熱電偶所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行等溫控制；
注油系統(tǒng)：提供檢驗(yàn)所需壓力，并根據(jù)壓力傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行等壓控制；
排油冷卻系統(tǒng)：通過換熱器中的冷載體對(duì)工作艙內(nèi)介質(zhì)（硅基油）進(jìn)行冷卻；
操作控制系統(tǒng)：按照檢驗(yàn)程序和加熱加壓規(guī)程進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)溫度與壓力控制。
系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2-3所示。
1-試件 2-高溫高壓工作艙 3-加熱系統(tǒng) 4-介質(zhì) 5-控制系統(tǒng)
6-排油冷卻系統(tǒng) 7-液壓系統(tǒng)
圖2-3 系統(tǒng)總體構(gòu)成
2.2 工作艙總體設(shè)計(jì)
2.2.1 工作艙設(shè)計(jì)參數(shù)確定
（1）工作艙工作基本要求
① 艙內(nèi)有效工作內(nèi)徑為400mm，因工件最大外徑為360mm，工作艙有效工作長(zhǎng)度為1000mm；
② 艙內(nèi)的工作壓力為35MPa，工作溫度為230℃；
③ 工作艙工作的環(huán)境溫度為0～40℃；
④ 被測(cè)試件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便；
⑤ 在正常的工作條件下，釜體不發(fā)生塑性變形，密封可靠不泄露，安全使用總時(shí)間即工作艙壽命要大于（等于）2000小時(shí)
（2）設(shè)計(jì)壓力
容器的設(shè)計(jì)必須考慮最高工作壓力和最高工作溫度可能同時(shí)出現(xiàn)的最苛刻條件的組合。設(shè)計(jì)壓力取略高于或等于最高工作壓力。
式中Ps——設(shè)計(jì)壓力
Pg——最高工作壓力，Pg=35MPa
代入上式后得Ps =36.75～38.5 （Mpa）
考慮到存在的其它實(shí)際問題，取設(shè)計(jì)壓力為40 Mpa。
（3）設(shè)計(jì)溫度
釜內(nèi)介質(zhì)被熱載體或冷載體間接加熱或冷卻時(shí)，熱載體的設(shè)計(jì)溫度根據(jù)加熱或冷卻的方式來選取，對(duì)于外加熱形式，取熱載體的最高工作溫度作為設(shè)計(jì)溫度。
工作艙內(nèi)工作介質(zhì)（硅基油）是通過釜體間接加熱的。因?yàn)楦獌?nèi)試件試驗(yàn)最高工作溫度為230℃，為提高加熱效率，釜外加熱溫度應(yīng)高于該溫度。根據(jù)表2-1所示的35CrMo材料的高溫強(qiáng)度，限定釜外加熱爐的最高溫度在300～500℃之間，取其設(shè)計(jì)溫度為400℃。
表2-1 35CrMo材料的高溫強(qiáng)度
t（℃）
20
100
100＜t≤300
300＜t≤500
500＜t≤800
[б]t（MPa）
292
219
205
199
175
2.2.2 工作艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
（1）工作艙基本結(jié)構(gòu)確定按容器的壓力（P），壓力容器可分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個(gè)等級(jí)。具體為：
① 低壓容器 0.1 MPa≤P＜1.6 Mpa
② 中壓容器 1.6 Mpa≤P＜10 Mpa
③ 高壓容器 10 Mpa≤P＜100 Mpa
④ 超高壓容器 P ≥100 Mpa
由檢驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)要求可知，所設(shè)計(jì)的釜體工作壓力為35Mpa，為高壓容器。
一般情況下，中、低壓容器大多數(shù)采用薄壁容器，高壓、超高壓容器多采用厚壁容器。厚壁容器有單層厚壁和多層厚壁。單層厚壁結(jié)構(gòu)有：
① 單層卷焊式圓筒：適用于D=400～3200mm P=10～100Mpa
② 單層瓦片式圓筒：適用于D=400～1800mm P=10～100Mpa
③ 鍛環(huán)組成式圓筒：適用于D=400～1000mm P=10～200Mpa
④ 無縫鋼管式圓筒：適用于D≤60mm
⑤ 整體鍛造式圓筒：適用于D≤1000mm P=10～200Mpa
⑥ 整體鍛造自增式圓筒：適用于D≤1000mm P=10～200Mpa
多層厚壁高壓容器，用較薄鋼板一層挨著一層制造成厚容器。其綜合機(jī)械性能優(yōu)于單層厚壁高壓容器，但其成本高于單層厚壁高壓容器。
通過對(duì)比分析，整體鍛造式結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，可以外部控溫，制造成本相對(duì)較低，所以系統(tǒng)釜體采用整體鍛造式結(jié)構(gòu)。上蓋也是整體鍛件，用螺栓聯(lián)結(jié)形成封閉的高溫高壓工作艙。
（2）工作介質(zhì)選擇
由于硅基油可視為不可壓縮流體且其物性較穩(wěn)定，故工作介質(zhì)選硅基油。
（3）工作艙總體結(jié)構(gòu)
如圖2-4所示浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)系統(tǒng)工作艙由釜體、上蓋、螺栓等部分組成。釜體和上蓋通過螺栓聯(lián)接形成封閉艙，被檢測(cè)浮體安裝在上蓋。先通過加熱爐對(duì)釜體進(jìn)行加熱，達(dá)到所需溫度（230℃）后再加壓，當(dāng)壓力達(dá)到35MPa后保溫保壓8小時(shí)，從而檢驗(yàn)浮體高溫高壓性能是否合格。
1-吊環(huán)2-上蓋3-排氣管接頭4-夾具5-熱電偶6-接頭7-螺栓8-釜體9-浮體10-油孔
圖2-4 高溫高壓工作艙總體構(gòu)成
2.3 釜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
2.3.1 釜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）釜體結(jié)構(gòu)形式
如圖2-5所示是整體鍛造成形的釜體，包括法蘭、筒體、封頭三部分。
1-法蘭2-筒體3-封頭
圖2-5 釜體結(jié)構(gòu)
（2）筒體壁厚設(shè)計(jì)
筒體壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，要在計(jì)算厚度的基礎(chǔ)上考慮腐蝕裕量和壁厚負(fù)偏差以及企業(yè)安全系數(shù)，最后確定實(shí)際厚度。
壁厚
s =k · δm
式中 k——企業(yè)附加厚度安全系數(shù)，k=2～2.2
δm——筒體名義厚度(mm)
δm =S0+ C1+ C2
式中 S0——圓筒計(jì)算厚度(mm)
C1——壁厚負(fù)偏差, C1=0.125 mm
C2——腐蝕裕量,C2=2mm
根據(jù)圓筒計(jì)算厚度公式，知內(nèi)壓圓筒體壁厚：
（2-1）
式中 Di ——圓筒體的內(nèi)直徑 (mm)
P ——設(shè)計(jì)壓力 (MPa)
[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下圓筒體材料的許用應(yīng)力 (MPa)
將前面的已知條件代入式（2-1），得：
（mm）
取筒體名義厚度為47mm，則壁厚
s =94～103.4（mm）
取s=100mm，則圓筒外直徑
D0=Di+2s
已知Di =400mm，代入上式后得D0=600mm
（3）封頭結(jié)構(gòu)
由于本設(shè)計(jì)封頭與筒體成一體，因此采用平蓋中的矩形封頭。如圖2-6所示：
① 封頭計(jì)算厚度：
（2-2）
圖2-6 平蓋中的矩形封頭
式中δp——平蓋計(jì)算厚度（mm）
Di——平蓋計(jì)算直徑（mm）
k——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。由平蓋系數(shù)k選擇有k=0.27
Φ——焊縫系數(shù)。由整體鍛造決定Φ=1
將各值代入式（2-2）有
（mm）
平蓋經(jīng)驗(yàn)厚度計(jì)算法δL
，s=100 mm
所以δL=120～150 mm。
選δp、δL中大值，并取安全系數(shù)，確定平蓋厚度為δ=130mm。
② 由平蓋系數(shù)k選擇表[35]有r≥0.5δp 且，所以有
r≥0.5×93.2=46.6 （mm）且（mm）
取r=130mm。
（4）開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)
在壓力容器的試驗(yàn)中，由于結(jié)構(gòu)要求，常要在容器上開孔和聯(lián)結(jié)管。容器開孔后引起強(qiáng)度削弱和應(yīng)力集中，必須采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施，使孔邊應(yīng)力集中系數(shù)降低到某一允許值。由于應(yīng)力集中的局部性，局部峰值應(yīng)力允許超過殼體整體屈服的平均應(yīng)力，因此并不是所有開孔都要補(bǔ)強(qiáng)。
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知，直徑滿足的單個(gè)開孔，不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
式中 ds——開孔直徑（mm）
Di——?dú)んw直徑（mm）
δp——?dú)んw開孔處的計(jì)算厚度（mm）
高壓釜需要在封頭底部開一注油孔，直徑為8 mm
即 (mm)
因?yàn)?8＜27，所以不需要開孔補(bǔ)強(qiáng)。
（5）強(qiáng)度校核
① 溫差應(yīng)力的計(jì)算
在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)考慮釜體壁厚溫度分布不均而引起的溫度差應(yīng)力，計(jì)算公式如下：
內(nèi)壁
（2-3）
式中k——圓筒的外直徑與內(nèi)直徑之比。k=D0/Di=600/400=1.5
ti、t0——分別為內(nèi)、外壁壁溫（℃）。已知ti=204℃，t0=400℃
E——平均壁溫下材料的彈性模量（MPa）。
E=205×103MPa
α——平均壁溫下材料的線膨脹系數(shù)（mm/mm·℃）。
可知，α=13.1×10-6mm/mm·℃
μ——平均壁溫下材料的泊松比。μ=0.3
將各值代入式（2-3）有
(MPa)
外壁 （2-4）
將各值代入式（2-4）有
② 在工作應(yīng)力和溫度同時(shí)作用下釜體的應(yīng)力計(jì)算
內(nèi)壁
（2-5）
（2-6）
將各值分別代入式（2-5）和式(2-6)有
(MPa)
(MPa)
(MPa)
外壁
(2-7)
（2-8）
將各值分別代入式（2-7）和式(2-8)有
（MPa）
(MPa)
由于材料為：35CrMo，它的許用應(yīng)力為[σ]=586MPa,而實(shí)際加熱溫度一定小于400℃，所以釜體設(shè)計(jì)合格。
2.3.2 釜體強(qiáng)度有限元分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，用Ansys軟件對(duì)高壓釜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合的有限元強(qiáng)度分析。在得到危險(xiǎn)截面后，考慮通過改變其中的某幾個(gè)參數(shù)對(duì)原釜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以降低該處的最大應(yīng)力，使設(shè)計(jì)更趨安全可靠。
Ansys分析基本過程
1. 前處理過程
（1）定義單元類型
由于高壓釜體在工作時(shí)溫度升高，在約束的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生了熱應(yīng)力，因此在單元類型的選擇時(shí)，應(yīng)考慮到所選取的單元類型是否能滿足熱分析處理的要求。
其次，考慮到設(shè)計(jì)的高壓釜體壁厚較大，不能選用殼單元類型進(jìn)行分析，否則可能會(huì)由于高壓釜體沿壁厚各參數(shù)過大而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。
綜上考慮，定義單元類型為SOLID70，它具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)。
（2）定義材料參數(shù)
因?yàn)?，在Ansys中無單位的定義，所以需要在分析前限定其使用單位，現(xiàn)規(guī)定單位如下：長(zhǎng)度：mm；壓強(qiáng)：MPa。
參照高壓釜設(shè)計(jì)內(nèi)容，定義材料參數(shù)如下：
高壓釜體材料：35CrMo；
可知：
①力學(xué)性能：室溫時(shí)，бs=835 MPa，бb=980 MPa，高溫時(shí)， [б]400 =199 MPa；
②物理性能：室溫時(shí)，楊氏彈性模量E=213×103 MPa；400℃時(shí)，E=181×103 MPa；在20℃與400℃之間的平均楊氏彈性模量E=192×103 MPa；因此，定義其楊氏彈性模量參數(shù)為192E5；
在20℃與400℃之間的平均線膨脹系數(shù)α=14×10-6 mm/mm·℃，因此，定義其線膨脹系數(shù)參數(shù)為14E-6 ，取參考溫度200℃；
在20℃與400℃之間的泊松比μ=0.286，因此，定義其泊松比參數(shù)為0.286；
在20℃與400℃之間的導(dǎo)熱系數(shù)λ=47.7 W/m·K，定義其導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)為47.7（因?yàn)榉治鲞^程為穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)結(jié)果不產(chǎn)生影響）。
（3）幾何模型建立
由于高壓釜體為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化有限元分析，取高壓釜體總體結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行分析。且為了避免有限元分析過程中出現(xiàn)異常，忽略掉釜體結(jié)構(gòu)中小的倒角和倒圓結(jié)構(gòu)，通過查閱相關(guān)資料可知，這種忽略對(duì)分析結(jié)果影響并不大。
首先，在Ansys全局坐標(biāo)系下建立關(guān)鍵點(diǎn)（keypoint），并連接這些關(guān)鍵點(diǎn)得到高壓釜體結(jié)構(gòu)的斷面。為了在網(wǎng)格劃分中得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量，將釜體斷面分成三部分，在后面的過程中，將依次對(duì)這三部分劃分網(wǎng)格。釜體斷面圖如圖2-7所示。
圖2-7 高壓釜體結(jié)構(gòu)斷面圖
然后，將斷面圖繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°，即得到高壓釜體1/4結(jié)構(gòu)圖，如圖2-8所示。
圖2-8 高壓釜體1/4結(jié)構(gòu)圖
（4）網(wǎng)格劃分
首先，對(duì)釜體斷面的三部分依次進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。在Ansys軟件中，提供了兩種網(wǎng)格劃分方法：自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。所謂自由，體現(xiàn)在沒有特定的準(zhǔn)則，對(duì)于單元形狀無限制，生成的單元不規(guī)則，基本適用于所有的模型。映射網(wǎng)格則要求滿足一定的規(guī)則，且對(duì)于面，映射網(wǎng)格形成的只能是單元四邊形或單元三角形；而對(duì)于體，其所能生成的只能是六面體單元，映射網(wǎng)格所形成的單元非常規(guī)整。映射網(wǎng)格適用于形狀規(guī)則的體或面自由網(wǎng)格生成的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置比較隨意，用戶無法控制。若想控制內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置，應(yīng)考慮使用映射網(wǎng)格。在本文中，考慮采用映射網(wǎng)格，以求使結(jié)果準(zhǔn)確。
但由于單元類型SOLID70不支持映射網(wǎng)格的劃分，我們直接采用掃略（SWEEP）網(wǎng)格方法。通過查閱資料可知，生成復(fù)雜幾何實(shí)體有多種方法，如可由面經(jīng)過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等操作形成，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于有些幾何實(shí)體，如果某個(gè)方向上截面形狀保持不變，則可以采用掃略方法生成實(shí)體并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，或者先對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再經(jīng)過上述操作生成實(shí)體時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)體網(wǎng)格劃分。雖然上述兩種方式都能生成復(fù)雜的幾何實(shí)體，但掃略方法具有更大的優(yōu)點(diǎn)。
因此，在這舍棄了映射方法而采用掃略的方法對(duì)釜體1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。在劃分前，設(shè)定全局網(wǎng)格尺寸為20。得到如圖2-9所示。
a)正視圖
b)上視圖
圖2-9 釜體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
由上圖可以看到，通過掃略方法得到的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)規(guī)則，分布均勻，質(zhì)量較好。
（1）約束及荷載定義
①在熱分析過程中，需要定義的荷載為釜體內(nèi)表面及外表面的溫度。根據(jù)熱平衡分析，可以得到在釜體工作中的危險(xiǎn)時(shí)刻，在后處理過程中將分別通過在內(nèi)外表面上加載相應(yīng)溫度進(jìn)行分析。
②在結(jié)構(gòu)分析中，需要定義如下載荷和約束：
A. 釜體下表面固定在支撐架上，因此，限制其豎直方向的位移，即Y方向的自由度；
B. 因?yàn)榻⒌哪Ｐ偷母w的1/4，因此，需要對(duì)兩側(cè)截面定義對(duì)稱約束；
C. 釜體工作時(shí)，內(nèi)部充滿液體，其壓力為40MPa，忽略重力對(duì)液體壓力的影響，即認(rèn)為壓力在釜體內(nèi)表面上均布；
D. 考慮溫度對(duì)釜體結(jié)構(gòu)的影響，即在結(jié)構(gòu)應(yīng)力上耦合熱應(yīng)力。
2. 后處理過程
（1）溫度分布在定義完成釜體內(nèi)外表面恒定溫度載荷后，通過Solve命令進(jìn)行處理，得到釜體內(nèi)部溫度如圖2-10所示。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面圖
圖2-10 釜體溫度分布圖
由上圖可以看出，釜體內(nèi)部溫度沿壁厚向外逐漸增大，在外壁面斜角處達(dá)到最大值，而在內(nèi)壁面底部靠近開孔處溫度最小。
（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布
在施加結(jié)構(gòu)應(yīng)力前，需要將熱分析單元轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)分析單元。對(duì)于軸對(duì)稱單元，還需要重新定義。
在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí)，施加結(jié)構(gòu)約束及荷載后，得到結(jié)構(gòu)變形圖如圖2-11所示。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面變形云圖
圖2-11 釜體結(jié)構(gòu)變形圖
由上圖可以看出，在釜體下部，由于受內(nèi)表面壓力和底部軸向自由度的限制，其變形量很小，從釜體底部往上，由于未限制釜體沿徑向的自由度，變形量逐漸增大，但由于在釜體上部，與上蓋連接處法蘭的壁厚較大，其變形較小，從而使得釜體變形最大處位于釜體中上部，最大變形量為0.1712mm。
對(duì)于應(yīng)力的分析，主要分析的是Von Mises應(yīng)力。Von Mises是一種屈服準(zhǔn)則,屈服準(zhǔn)則的值通常被稱為等效應(yīng)力。Ansys后處理過程中“Von Mises Stress”通常被稱作Mises等效應(yīng)力，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論)。一般材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，以流動(dòng)形式破壞時(shí)，應(yīng)該采用第三或第四強(qiáng)度理論。壓力容器上用第三強(qiáng)度理論（安全第一），其它多用第四強(qiáng)度理論。von mises等效應(yīng)力就是一維屈服應(yīng)力在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的表達(dá)。
釜體結(jié)構(gòu)中Von Mises等效應(yīng)力分布結(jié)果如圖2-12所示。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面應(yīng)力云圖
圖2-12 釜體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布
由上圖可以看出，應(yīng)力的分布與變形量的分布大致相同，在釜體中部變形量較大，因此，釜體內(nèi)部應(yīng)力也相對(duì)較大，其最大值為126.291MPa，小于設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]=586MPa。
（2）熱應(yīng)力分布
（3）在結(jié)構(gòu)分析中分析溫度應(yīng)力時(shí)，需要導(dǎo)入之前的溫度分布分析結(jié)果。在Ansys軟件中，熱分析結(jié)果以.rth為后綴的文件形式保存，在荷載定義中以結(jié)構(gòu)載荷的方式導(dǎo)入。
單獨(dú)對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行分析得到的結(jié)構(gòu)變形結(jié)果如圖2-13所示。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面變形云圖
圖2-13 釜體結(jié)構(gòu)變形量分布
由上圖可以看出，由于溫度的影響，從釜體底部往上，其變形量逐漸增大， 在與上蓋連接處的外沿達(dá)到最大值為1.82mm。從理論上分析，由于釜體內(nèi)部溫度高于參考溫度，發(fā)生熱膨脹，在底面軸向自由度受限的情況下，釜體只能向上膨脹，因此，變形量隨高度逐漸增大。
釜體內(nèi)部熱應(yīng)力分布如圖2-14所示。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面應(yīng)力云圖
圖2-14 釜體熱應(yīng)力分布
由上圖可以看出，溫度應(yīng)力的分布與變形量的分布并不相同，其在釜體底部?jī)?nèi)壁面圓角處出現(xiàn)了應(yīng)力最大值為348.139MPa。從理論上分析，由于變形量是由熱膨脹造成，并不受熱應(yīng)力的影響，因此，應(yīng)力分布與變形分布不一致。從溫度分布圖上可以看出，由于外表面溫度高，其膨脹變形大于內(nèi)表面，且在底部圓角處壁厚有突變，使其受溫度影響較大，因此應(yīng)力較大。
（4）熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分布
為了得到熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力，可以采用間接的方法在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上按熱應(yīng)力分析的步驟導(dǎo)入溫度分布結(jié)果，由Ansys分析可綜合兩方面的影響。
熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下變形情況如圖2-15所示。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面變形云圖
圖2-15 釜體結(jié)構(gòu)變形分布
由上圖可以看出，熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下變形量主要受熱膨脹的影響，結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的變形量很小。
圖2-16表示的是在熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下應(yīng)力情況。
a) 釜體1/4結(jié)構(gòu) b)釜體截面應(yīng)力云圖
圖2-16 釜體熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分布
由上圖可以看出，熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下其應(yīng)力分布不同于各自單獨(dú)作用下的情況。釜體內(nèi)部應(yīng)力最大值位于釜體底部?jī)?nèi)表面圓角處，主要是熱應(yīng)力的作用；隨著位置的升高，其應(yīng)力有所增加，這主要是受結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用。釜體內(nèi)部應(yīng)力最大值為420.023MPa，小于35CrMo材料的許用應(yīng)力[σ]= 586MPa。
綜上，釜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。
2.4 工作艙上蓋組件設(shè)計(jì)
（1）法蘭結(jié)構(gòu)
法蘭是壓力容器的一個(gè)重要部件，是容器可拆連接的一種重要結(jié)構(gòu)形式。工藝要求：保證使用可靠，便于多次拆裝又不影響密封性能。其基本形式有活套法蘭、整體法蘭、任意式法蘭三類。本設(shè)計(jì)采用整體法蘭。這種法蘭通常帶有一個(gè)錐型截面的頸脖，故又稱高頸法蘭。適用于壓力、溫度都較高或殼體直徑較大的場(chǎng)合。
（2）法蘭密封面與墊片
由法蘭密封設(shè)計(jì)有，常用的壓緊面類型有平型壓緊面、凹凸型壓緊面、榫槽型壓緊面、梯型壓緊面與錐型壓緊面。
由于工作環(huán)境為高壓場(chǎng)合，因此選用梯型壓緊面。
（3）墊片的類型
金屬墊片可分為：平墊片、波形墊片、齒形墊片、八角形墊圈、橢圓形墊圈、透鏡墊圈。
墊片選擇應(yīng)根據(jù)溫度、壓力及介質(zhì)的腐蝕性來決定。根據(jù)高壓釜工作環(huán)境選擇八角形墊圈。
法蘭墊片壓緊形式如圖2-7所示。
圖2-7 法蘭墊片壓緊形式
（4）墊片壓緊力
① 預(yù)緊時(shí)需要的總壓緊力：
FＧ = π · DＧ · b · y （2-9）
② 操作時(shí)需要的總壓緊力：
FＰ = 2π · DＧ · b · m · p （2-10）
式中 p——最大操作壓力（MPa）
m，y——墊圈系數(shù)與墊片比壓力,有m=6.5，y=179.3 MPa
DＧ——墊片壓緊力作用中心圓直徑(mm)
當(dāng)b0≤6.4mm時(shí)，DＧ為墊片接觸面的平均直徑，
DＧ=460.42mm；
當(dāng)b0＞6.4mm時(shí)，DＧ為墊片接觸面的外徑減2b
b0——墊圈的有效密封寬度。
b0=ω/8=10.4/8=2.05(mm)，在此寬度內(nèi)將預(yù)緊密封比壓y視作均勻分布。
b——墊圈的計(jì)算密封寬度。b=b0=2.05mm
將各值分別代入式（2-9）、（2-10）有
FＧ= π · DＧ · b · y
=π×460.42×2.05×179.3
=531665.16(N)=532(kN)
FＰ = 2π · DＧ · b · m · p
=2π×460.42×2.05×6.5×40
=1541917.93(N)=1.54×103(kN)
2.5 聯(lián)接預(yù)緊力矩計(jì)算
（1） 預(yù)緊時(shí)外力矩
M1=W·l3
式中 W——預(yù)緊時(shí)法蘭螺栓載荷，考慮到實(shí)際螺栓的總截面積A大于設(shè)計(jì)所需的總面積A0,在擰緊螺栓時(shí)有可能造成法蘭超載，故外力矩計(jì)算中取
W=(A+A0) / 2 ·[σ]b
式中 A0——取操作時(shí)螺栓總截面積A2值，即41845 mm2
(mm2)
[σ]b——螺栓材料常溫下的許用應(yīng)力(MPa)
所以， (N·mm)
l3——墊圈壓緊力和螺栓中心線的徑向距離。l3=157.79 mm
所以有
M1=9921236×157.79=1533913828 (N·mm)
（2）操作時(shí)外力矩
M2 = P1·l1 + P2·l2 + P3·l3
式中 P1——內(nèi)壓作用于內(nèi)徑截面的軸向力。
（N）
P2——內(nèi)壓作用于法蘭端面上的軸向力。
（N）
P3——操作時(shí)墊圈的壓緊力。
（N）
其中
（mm）
l1、l2、l3——力臂。圖2-8。
（mm）
圖2-8 法蘭體受力分析
由于
（mm）
（mm）
（mm）
所以有
M2=5026548×173.75+6510173×160.39+1541918×157.79
=2160828603（N·mm）
由于 （N·mm）
所以法蘭設(shè)計(jì)力矩取預(yù)緊力矩和操作力矩中的大值，即
M=M2=2160828603 （N·mm）
（3）法蘭厚度
式中 Y——由圖4-7有Y=3
（mm）
實(shí)際厚度
t0=(1.0～1.1) ·t=(1.0～1.1) ×144.9=144.9～159.4（mm）
取實(shí)際厚度為159 mm。
（4）螺栓載荷設(shè)計(jì)
預(yù)緊時(shí)，螺栓拉力等于墊圈所需預(yù)緊力。即
W1=FG=531665.16（N）
操作時(shí)，螺栓拉力等于由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力P與墊圈工作時(shí)反力（數(shù)值上等于墊圈操作時(shí)所需的總壓力）之和：
W2=0.785DG2·p+2π · DG · b · m · p
=0.785×460.42×460.42×40+1541917.93
=8201672.641(N)
=8.2×103（kN）
螺栓材料選用：35CrMoA
由表查得有
[σ35CrMoA]20=228 N/mm2，[σ35CrMoA]200=196 N/mm2
（5）螺栓的直徑和個(gè)數(shù)
預(yù)緊時(shí)螺栓總截面積：
（mm2）
操作時(shí)螺栓總面積：
（mm2）
式中 [σ]b——常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力(MPa)
[σ]bt——設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力(MPa)
令A(yù)0為螺栓總截面積，由螺栓許用應(yīng)力表取A1、A2中較大值，則螺栓直徑及個(gè)數(shù)為
式中 n——螺栓個(gè)數(shù)，應(yīng)取偶數(shù)，最好為4的倍數(shù)
d0——螺栓螺紋根徑（mm）
取n=24，則
（mm）
取螺栓直徑為48 mm。
（6） 螺栓間距校核
螺栓的最小間距應(yīng)根據(jù)扳手操作空間來確定。由表，有
E=48 mm，Smin =102 mm，dB=48 mm
推薦的最大間距應(yīng)為
(2-11)
式中dB——螺栓公稱直徑（mm）
t——法蘭厚度（mm）
m——墊圈系數(shù)。m=6
將各值代入式（2-11）有
（mm）
螺栓的實(shí)際間距
（2-12）
式中 Db——法蘭直徑。
Db=776 mm
將各值代入式（2-12）有
（mm）
由于Smin< S < Smax，所以合格。
2.6 本章小結(jié)
本章對(duì)浮體及其高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，在此基礎(chǔ)上對(duì)工作艙進(jìn)行設(shè)計(jì)并確定其參數(shù)，同時(shí)對(duì)高壓釜體進(jìn)行了溫差應(yīng)力校核及有限元分析，并對(duì)工作艙上蓋組件以及聯(lián)接與密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
第3章 排油冷卻系統(tǒng)及注油系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 換熱器分類
換熱器按工作原理可分為間壁式換熱器（如暖風(fēng)機(jī)、燃?xì)饧訜崞?、冷凝器等）；混合式換熱器（如噴淋室、蒸汽噴射泵等