水下采油树油管悬挂器安装工具强度分析.pdf

110 cademic Research 技术交流 A 水下采油树油管悬挂器安装工具强度分析水下采油树油管悬挂器安装工具强度分析 郭新军1，汪 聪2，杨 超1，赵维青1，关清涛1，郭 鑫1（1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，海口 570100；2.中海石油（中国）有限公司 深圳分公司，广东深圳 518067）摘摘 要：要：基于水下采油树油管悬挂器安装工具结构优化项目工作，采用 Ansys 软件重点分析安装工具在测试工况下的强度，并给出分析方案，对未来油管悬挂器安装工具的研究提供一定参考。关键词：关键词：水下采油树；油管悬挂器；安装工具；有限元分析；强度分析 中图分类号：中图分类号：TE5 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.022 Strength Analysis of Tubing Hanger Running Tool of Subsea Christmas Tree GUO Xinjun1,WANG Cong2,YANG Chao1,ZHAO Weiqing1,GUAN Qingtao1,GUO Xin1(1.Ener Tech Drilling&Production Co.Ltd.,CNOOC,Haikou 570100,China;2.Shenzhen Branch,CNOOC(China)Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,Guangdong,China)Abstract:Based on the structural optimization project of the underwater oil production tree tubing hanger installation tool,Ansys software is used to focus on analyzing the strength of the installation tool under testing conditions,and an analysis plan is provided,providing a certain reference for future research on tubing hanger installation tools.Key words:subsea Christmas tree;tubing hanger;running tool;finite element analysis;strength analysis 0 引言引言 水下采油树是水下生产系统的核心设备，下方借助连接器连接井口头，上方借助跨接管连接管汇。油管悬挂器作为水下采油树的关键部件，主要用于悬挂油管、密封油管和油层套管，提供油流通道、修井通道、电缆通道与化学试剂注入通道，分离上下空间1-2。油管悬挂器、生产主阀、生产翼阀、采油树本体与出油管等形成过流部件，连接水下采油树和井下生产管柱。油管悬挂器的下放安装过程复杂，不仅决定了采油树的自主安装和回收，还涵盖锁紧、解锁、因此，油管悬挂器需要研发专门的下放、安装与旋转、定位、密封和通道布局等多方面工艺要求。回收工具油管悬挂器安装工具，将安装工具和油管悬挂器锁紧连接后共同安装到采油树体内。在整个下放安装过程中，安装工具承载了液压力、油管悬挂器重力等工作载荷，对其结构性能有较高的要求。油管悬挂器的安装、维护及维修需要借助水下机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）进行，操作工艺要求较高。若油管悬挂器及其安装工具的性能和下放安装的工艺技术无法达标，极可能 作者简介：郭新军（1986），男，硕士、工程师。研究方向：海洋石油勘探开发。111 产生故障，从而使整个系统瘫痪，影响了生产进度。同时，随着水深的加大，下放安装的风险性也随之增高。因此，研究采油树油管悬挂器安装工具对水下生产系统领域来说格外重要。迄今为止，FMC Technologies、One Subsea、GE、Dril-Quip和Aker Solutions等国外知名油气公司垄断了水下采油树及其配套工具的关键技术3。我国在水下采油树领域的研究起步较晚，对油管悬挂器安装工具的研究则更少。目前，国内已有相关采油树油管悬挂器下放安装工具的研究。赵宏林等4通过对深水采油树油管悬挂器安装工具的主要设计参数及锁紧环受力进行分析；易黄高等5对立式采油树油管悬挂器安装工具锁紧机构的关键部件形锁紧环进行了开口角度以及锁紧所需的液压驱动力计算；王丽男等6研究了油管悬挂器安装工具形锁紧环在锁紧过程中的变形量对其结构强度的影响，理论计算得出形锁紧环表面最大应力与变形量之间的简化公式，并采用ABAQUS软件进行分析研究；程友祥等7运用Ansys软件中的概率设计技术（Probabilistic Design System，PDS）模块对油管悬挂器安装工具锁紧机构进行可靠性分析；陈萌等8对油管悬挂器及其安装工具进行了性能鉴定试验，包括静水压循环、温度循环、载荷循环测试，提出了1套卧式采油树油管挂及其安装工具性能鉴定试验方法；崔晓伟9经过一系列研究，最终设计出能下放、回收目标立式采油树油管悬挂器且能够紧急解锁的油管悬挂器安装工具。综上所述，除了对锁紧环的研究较丰富外，国内针对安装工具的其他工况（如软着陆、测试等）及其他部位（卡爪、液压缸等）的研究仍然严重缺少。因此，针对测试工况下的油管悬挂器安装工具进行强度分析，旨在填补空白，为国内相关研究提供更全面的参考。1 油管悬挂器安装工具介绍油管悬挂器安装工具介绍 水下采油树油管悬挂器安装工具由安装工具本体、软着陆活塞、锁紧机构、定位机构和旋转机构等组成，结构如图1所示。安装工具本体端面如图2所示。图 1 油管悬挂器安装工具内部结构 图 2 油管悬挂器安装工具本体端面 图2中的液压通道（液压小孔），可以实现油管悬挂器与采油树树体、安装工具与油管悬挂器的锁紧与解锁功能。工具液压操作时作用的内部间隙即为液压缸。2 油管悬挂器安装工具测试工况油管悬挂器安装工具测试工况 油管悬挂器在下放安装时的工况主要有：锁紧工况、下放工况、软着陆工况和测试工况等。在油管悬挂器及其安装工具下放锁紧至指定位置后，需要对其进行产前测试，确保后续的生产工作能顺利进行。实际情况下的测试应该根据API Spec 17D中的规定，对安装工具进行压力循环测试，测试压力为1.5倍额定工作压力。具体测试步骤为：1）压力从零逐渐升高到接近预期工作压力的1/2。2）以1/10最大额定工作压力或更少分挡进行增压，直至测试压力为止，至少保压3 min。112 cademic Research 技术交流 A 3）泄压至零。4）重复步骤1）和2），再次保压15 min。5）泄压至0。6）重复上述步骤3次。如果在测试过程中安装工具有明显泄漏、损坏，或者保压时压力测量装置显示的压力变化不符合规定要求，应该判定其性能失效。3 基于基于 Ansys 油管悬挂器安装工具强度分析油管悬挂器安装工具强度分析 由于油管悬挂器安装工具还未量产，上述实际测试工况在产品设计前期实现不了，但在Ansys这类强大的有限元软件的帮助下，能够实现油管挂安装工具在测试工况下的强度分析，从而达到确保其性能的目的。3.1 安装工具分析模型简化安装工具分析模型简化 根据液压缸的分布，将初始模型分别简化为极限状态下的1/4模型，便于后续分析计算。简化原则为：1）保留油管悬挂器安装工具的主要分析部位（生产通道、液压缸、液压小孔）；2）去掉除分析部位外其他部件的无用圆孔圆角。安装工具测试工况下力学分析模型如图3所示。图 3 安装工具简化模型 3.2 安装工具材料安装工具材料参数设置参数设置 由于安装工具工作环境较为特殊，需要选用强度和韧性较高的金属材料，才能满足其工作要求。模型材料的参数设置如表1所示。表 1 安装工具材料属性 材料型号 弹性模量/GPa 泊松比 最小抗拉强度/MPa 最小屈服强度/MPa 4130 200 0.3 655 517 3.3 安装工具测试工况下的接触对定义安装工具测试工况下的接触对定义 根据实际情况接触设置为摩擦接触，有相对滑动的位置摩擦因数取0.15，较为真实地反映了安装工具各结构之间的实际接触情况。3.4 安装工具分析模型网格的划分安装工具分析模型网格的划分 对有压力的液压缸处进行网格加密，增加模型的计算精度，同时，为了减少计算量可适当调整其余部分的网格大小，使模型整体平均网格质量在0.7以上。网格划分结果如图4所示。图 4 模型的网格划分 3.5 安装工具测试工况下的边界条件设置安装工具测试工况下的边界条件设置 依据API Spec 17D的规定，安装工具测试压力为额定工作压力的1.5倍。由表2可知，安装工具额定工作压力为34.5 MPa，故添加液压小孔与液压缸处的测试压力为51.8 MPa，生产通道处的工作压力为69.0 MPa。在测试工况的极限状态下，约束部分零件的轴向位移，并在1/4对称面添加对称约束。安装工具测试工况下的边界条件如图5所示。表 2 油管悬挂器安装工具液压功能和参数 序号 液压功能 额定工作 压力/MPa 1 油管悬挂器锁紧到采油树本体 34.5 2 油管悬挂器锁紧检测 34.5 3 油管悬挂器从采油树本体解锁 34.5 4 油管悬挂器安装工具锁紧到油管悬挂器 34.5 5 油管悬挂器安装工具从油管悬挂器解锁 34.5 6 软着陆功能 20.0 7 紧急解锁 20.0 113 图 5 整体边界条件 3.6 安装工具测试工况下的分析结果安装工具测试工况下的分析结果 极限状态的模型应力分布如图6所示。最大应力值为425.66 MPa，位置出现在相应的最大液压缸处。若安全系数取1.2，则屈服应力（517 MPa）除安全系数为许用应力430.8 MPa，大于最大应力，故符合条件。极限状态的模型变形量分布如图7所示。最大变形量为0.29 mm，位置出现在相应的最大液压缸处，周围一圈无密封，符合条件。图6 应力分布图 图7 变形量分布图 4 结论结论 油管悬挂器是水下采油树系统的一个核心部件，其下放安装过程将影响水下采油树的整体性能。因此，需要专用于下放、安装及回收的油管悬挂器安装工具在不同工况下仍具有良好的力学性能和结构性能。通过开展水下采油树配套工具结构优化-油管悬挂器安装工具结构力学分析，得出以下结论：1）安装工具在测试工况下，生产通道、液压缸、液压小孔处最大应力出现在最大液压缸处，最大应力值为425.66 MPa，满足强度要求。2）安装工具在测试工况下，生产通道、液压缸、液压小孔处最大变形量也出现在最大液压缸，数值为0.29 mm。分析出最大应力、最大变形量的数值及出现位置，从而可以预先判断安装工具易出现破坏部位，对安装工具中受力较大部件进行优化分析及设计，改善部件的力学性能，从而提高安装工具的可靠度和使用寿命。参考文献：参考文献：1 王莹莹,王名春,杨钟山,等.水下采油树与永久导向基座对接过程的动力特性J.石油学报,2022,43(3):420-431.2 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