水下采油树本体结构强度有限元计算与分析.pdf

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1、NAVALARCHITECTUREANDOCEANENGINEERING船舶与海洋工程2016年第32卷第3期(总第109期)DOI：10．14056巧．cnki．naoe．2016．03．004水下采油树本体结构强度有限元计算与分析张鹏举1，郑陶清2，李博1，曾明1(1．关钻能源科技(上海)有限公司，上海200941：2．上海海事大学商船学院，上海201306)摘要：采油树本体是水下采油树的重要构件，其强度和刚度是保证采油树运行安全性和使用性的关键因素。采用有限元程序Patran和Nastran软件，在设

2、计工作与实际工作条件下，针对采油树本体的三种不同工况，结合不同载荷条件下的结构强度进行有限元计算。计算结果表明，该结构的局部区域存在高应力，但总体结构安全可靠。关键词：采油树本体；结构强度：有限元计算中图分类号：U674．38+1．03文献标志码：A文章编号：2095-4069(2016)03-0022-05FiniteElementCalculationandAnalysisofSubseaProductionTreeBodyStructureZHANGPeng-jul，ZHENGTao．qin92，LI

3、B01，ZENGMin91(1．MeiZuanEnergyTechnology(Shanghai)Co．Ltd．，Shanghai200941；2．MerchantMarineCollege，ShanghaiMaritimeUniversity，Shanghai201306)Abstract：Treebodyisanimportantpartofthesubseaproductiontree，whoses打engthandstiffnessarethekeyfactorstoensureoperations

4、afetyandusageofthetree．ThispaperusesthePatranandNastransoftwarebasedonfiniteelementprogramtocalculatethestrengthofthetreebodystructurewiththreedifferentloadingstressesbothinthedesignandoperationconditions．Thecalculationresultshowsthattheoverallstructureoft

5、hebodyissafeandreliablethoughhighstressexistsinsomeareas．Keywords：productiontreebody；structures订ength；finiteelementcalculation0引言水下采油树是深海油气开发中不可或缺的设备之一，在深海油气田开发中起到了至关重要的作用⋯。长期以来，水下采油树的关键技术被国外的几家公司所垄断[2】。我国对采油树的研究面临着国外专利和知识产权的封锁，与美国、巴西、挪威等海洋石油发展强国有很大差距。尽早实现

6、采油树国产化，突破国外技术垄断，具有十分重要的战略意义【3j。水下采油树主要由采油树本体、阀、连接器、油管挂、树帽、油管、支架、导向架等部分组成。采油树工作过程中承受高压的作用，是典型的特种设备【4】。周思柱等【5】曾用两种方法对某采油树井I：I阀体进行了强度计算，指出有限元法计算结果更为精确。刘广君161曾对某采油树四通型本体结构进行三维静态有限元分析，得出最大应力值在相贯交叉点处。秦蕊等【7】曾对深海水下采油树进行整体结构强度计算，求出水深和油气温度等因素对结构应力的影响，并给出最大应力的分布规律。前人

7、的研究大多没有考虑采油树本体在多种载荷作用下结构受力的分布规律。因此，全面研究该结构的应力分布规律显得格外紧迫。收稿日期：2015．05．15第一作者简介：张鹏举，男，高级工程师，1968年生。1992年毕业于海军工程大学潜艇机电管理专业，现从事海洋石油天然气钻采设备的研发、设计和测试工作。张鹏举，等：水下采油树本体结构强度有限元计算与分析采油树本体力学分析模型1．1有限元模型建立由于采油树本体结构较复杂，为便于分析研究，先在Solidworks软件中对采油树本体的三维几何模型进行简化，对不影响应力分析的一

8、些细小构件，如阀组周围用于固定的螺栓孔、几何模型中的不规则造型、本体外壳棱角处的凸台等作了简化处理，简化后的几何模型见图l。将该模型导入有限元计算程序的前处理软件Patran，使用四面体10节点(Tetl0)单元对其进行网格自动划分，共划分为62536个网格，12119个节点(见图2)。圈l采油树本体几何模型图2采油树本体有限元模型采油树本体的材料为普通钢材，其最小屈服强度盯。=517MPa，弹性模量E=2．1×