基于有限元分析的CNG储气井疲劳设计计算.pdf

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1、330化工机械2013年基于有限元分析的CNG储气井疲劳设计计算宋成立4淡勇(西北大学化工学院)摘要采用有限元方法对储气井危险部位——套管与管箍螺纹连接段进行分析，应用ANSYS软件计算，获得了该部位详尽的应力场。通过经验公式和理论推导给出了交变应力幅S与疲劳寿命Ⅳ的解析表达式。在此基础上，进行了一系列的修正和安全系数的设定，最终获得了CNG储气井的疲劳设计曲线．最后，给出了考虑疲劳累积损伤问题的方法和设计依据。关键词储气井CNG(压缩天然气)有限元疲劳设计中圈分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254-6094(2013)03-03

2、30-06天然气作为清洁燃料广泛应用予城市交通中。目前国内压缩天然气(CNG)加气站多采用地下储气井储存CNG。这种新型、经济的高压储气结构，具有储气量大、加气速度快、成本低、占地面积少、可靠性高、使用寿命长、运行维护费用低以及操作简单等特点。按照文献[1]的要求，CNG储气井的设计压力为32MPa，额定工作压力为25MPa，属于高压范畴。对于储气井这种结构存在工作压力高、压力波动大、疲劳次数多(不少于2．5×104次)以及螺纹连接等特点，不安全事故时有发生心1，同时CNG加气站几乎都建在人I：1密集的大城市，一旦发生不安全事故，后果相当严

3、重，因此CNG储气井的安全阅题尤为重要。而在众多的事故报道和调研中发现，储气井最薄弱的环节在套管和管箍的连接处”1。在螺纹连接处螺纹的牙顶与牙底都有截面变化，会形成应力阶差，由于螺纹根部的圆角半径较小，在螺纹根部就会有应力集中，尤其对热处理高强度钢来说，其作用显得尤为突出Ho。而螺纹力学计算是一个多维、复杂并涉及到材料的非线性问题。螺纹接头应力求解目前还没有可靠且普遍适用的理论计算方法，这方面的研究报道很少。使得常规计算并不能得到完整、有效的分析。笔者根据CNG储气井的结构特点和工作情况，重点研究储气井上的薄弱环节——套管与管箍螺纹连接段的

4、安全性，首先采用有限元方法建立应力、应变计算模型，通过ANSYS软件计算获得该部位的应力场，然后通过经验公式和理论推导，以及合理修正和安全系数的设定获得CNG储气井的疲劳设计曲线，最后，根据储气井的实际情况，引入了考虑疲劳累积损伤的方法，并给定设计判据。旨在为同类结构的疲劳设计计算提供方法和参考。1储气井的结构和特点地下CNG储气井是由十几根套管和管箍通过螺纹连接，两头分别安装封头，放置到80～200m深的井中，最后管壁和井壁之间灌入水泥砂浆固封，形成的一个地下储气井(图1)。实际操作过程中，可根据加气站的容积需要，灵活决定储气井的数量和深

5、度H1。套管与管箍连接部位结构如图2所示，目前，连接螺纹一般都采用长圆螺纹。2储气井的有限元分析2．1套管和管箍基本结构参数和材料特性CNG储气井套管和管箍常用材料为TP80CQJ钢级，结构尺寸为咖177．80一qb273．10mm。笔者研究的套管和管箍模型的材料为NSOQ钢级，其抗拉强度盯。为689MPa，标准屈服强度盯。为552MPa，弹性模量取206GPa，泊松比为0．3，套管和管箍模型参数如下：·宋成立，男，1989年7月生，硕士研究生。陕西省西安市，710069。第40卷第3期化工机械331排液幸1图1地下储气井的结构示意图图2套

6、管与管箍连接部位示意图螺纹高度h1．986mm螺距P3．175mm牙型角a600套管内径r78．54mm套管外径尺88．90ram2．2有限元模型建立考虑分析结构的对称性，取套管与管箍连接结构的1／4建立有限元分析模型，进行应力分析，分析模型如图3所示。采用三维实体单元Sol—id45进行网格划分，整个模型共划分成113746个单元，共有513834个节点，如图4所示。考虑到天然气脱硫、脱水不达标(文献[6]要求H：S含量不大于12mg／m3)，天然气中的腐蚀性物质会腐蚀井筒内壁，选取套管的腐蚀裕量为1．Omm。故分析模型中的壁厚尺寸为名义

7、厚度减去腐蚀裕量。单ftmn0005D0口113000—●■■二=二]■■■I二]25D075DD图3套管和管箍的三维有限元模型电(i／'：mmO_00●_-[==5二0．_00__—[二二10]0．002500T500图4套管和管箍的有限元网格划分2．3位移和载荷边界条件处理位移边界条件处理：套管和管箍的轴向剖面受对称面位移约束，管箍的径向剖面受对称面位移约束，管箍的外表面受法向位移约束。载荷边界条件处理：套管的内表面和下端面受内压作用，及管箍内表面与套管未连接部位受内压作用。套管与管箍接触建立摩擦接触，取摩擦系数为0．3。2．4计算结果

8、及分析应用ANSYS软件分别计算：在内压为25．0、13．5MPa作用下，套管和管箍上的应力和应变。计算结果如图5、6所示。在内压25．0、13．5MPa下，套管和管箍的最大等效