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第9期
王鹏，张士超，葛伟凤
（中海油安全技术服务有限公司， 天津 300450）
[摘 要] 水下闸板防喷器在关井时井筒压力作用下闸板与壳体的相互作用应力复杂。为分析闸板防喷器关井状态时闸板与壳体的受力状态，在建立整套闸板防喷器三维仿真模型的基础上，对其承压壳体及双闸板进行了有限元分析计算。结果表明：防喷器闸板及壳体在额定载荷作用下均满足强度要求；防喷器高应力区域集中在壳体及闸板的接触部位，在防喷器检查及维保中应重点关注，确保钻井作业井控安全。[关键词] 闸板；防喷器；有限元；井控 作者简介：王鹏（1985—），男，湖北红安人，2008年毕业于长
江大学石油工程专业，获学士学位，工程师，现从事海洋石油井控设备安全评估与检查工作。
水下防喷器是深水钻井作业不可或缺的井口承压设备[1]。构造复杂的防喷器壳体作为防喷器最主要的承载部件，在瞬间关井载荷作用下的应力分布对分析其结构的安全性非常重要[2-3]。唐洋等针对防喷器壳体进行了额定压力下应力试验及有限元分析确定了应力分布规律[4]，付海龙、马卫国等研究了带压作业情况下闸板胶芯的受力情况[5-6]
，但目前少有针对关井后闸板与防喷器壳体相互作用应力研究。闸板防喷器在关井动作时，由于受到井筒压力作用，闸板与壳体的相互作用载荷很大，因此有必要分析闸板防喷器工作时闸板与壳体的受力状态，为水下防喷器的安全评估提供参考依据。1 几何模型的建立
应力分析的关键及基础即是有限元模型建立。为了使仿真分析结果更加贴近实际，在此依据图纸最大限度还原了水下闸板防喷器的三维实体模型。1.1 结构组成
闸板防喷器主要由闸板密封、侧门密封、液压锁紧等结构组成，可依据钻井作业需要配置高抗硫剪切全封闸板总成、管柱闸板总成或大范围变径闸板总成；防喷器采用液压开关侧门，实现快速更换闸板；采用液压自动锁紧闸板方式，可同步锁紧与关闭闸板，解锁与开启油路顺序操作；壳体、闸板体、侧门等承压件采用高强度、高韧性低合金材料，保证防喷器使用安全可靠；与井液接触的密封表面及钢圈槽堆焊耐蚀合金，其他密封沟槽及密封配合表面进行防腐处理，保护密封部位不被海水腐蚀；壳体的闸板腔体采用
长圆形截面，腔室结构尺寸小，采用大圆弧光滑连接，减小结构不连续造成的应力集中；闸板体采用长圆形整体结构，前密封和顶密封可根据损坏情况单独更换，底部镶嵌耐磨板，减少闸板与壳体的磨损、拉伤等；侧门密封采用浮动密封结构，减少侧门螺栓的上紧力矩，提高密封可靠性。1.2 模型建立
将平衡阀总成及卡箍等非结构主受力部件进行忽略。对主壳体内部以及液压油通道内部进行精确建模，而对上下法兰与壳体连接处的等圆角进行简化处理。建模过程中应用到切除（Cut ）、整合（Merge ）等装配功能模块。建立的各部件模型见图1
。
图1 双闸板防喷器各部件模型
将各部件按照设计方式进行装配，装配好的
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论文广场
石油和化工设备2019年第22卷
表1 双闸板防喷器力学性能参数
时间统计法(a) 壳体闸板腔室与闸板接触对
图2 双闸板防喷器装配模型
图3 防喷器装配子模型几何模型见图2
。
2 关井分析2.1 有限元模型建立
由于双闸板防喷器的轴对称性，考虑到计算机处理能力，在1/2防喷器中截取其中上半部分，作为子模型。为了节省计算空间，将闸板上一些不影响分析结果的结构省略，如远离刃口的圆孔、螺纹、倒角等。承压分析时密封橡胶条对闸板的应力无影响，故将顶密封、侧密封、底密封橡胶条都略去。此外，钻杆的应力及变形不是关心的重点，可以把它作为刚体部件来建模，从而减小模型的规模。
壳体及闸板形状结构较为复杂，存在较多的尺寸突变，因此，为了得到较好的网格划分模型，将壳体与闸板计算模型垂直于纵向进行切分，尽量切分出简单集合体。由于壳体内壁与闸板之间有接触面，为提高接触计算的精度，将涉及到接触的部位划分为六面体网格，另在其他非接触部位及其他难于划分六面体网格处采用四面体网格。
如果接触属性为默认的硬接触，则不能使用六面体二次单元（C3D20和C3D20R ），以及四面体二次单元（C3D10），而应尽可能使用六面体一阶单元。如果无法划分六面体单元网格，可以使用修正的四面体二次单元（C3D10M ）。将壳体、闸板及钻杆装配好并划分网格后的有限元模型见图3：2.2 材料性能参数
闸板防喷器壳体、闸板体等关键承压件力学性能参数见表1
：
弹性模量/MPa 泊松比强度极限/MPa 屈服极限/MPa
2.06×105
0.3
≥655
≥586
2.3 约束与载荷条件
ABAQUS/Standard 中可以通过定义接触面（Surface ）或接触单元（Contact Element ）模拟接触问题。为了进行接触理论力学分析还引入了“接触对”（Contact Pair ）的概念。一对相互接触的面称为“接触对”，一个接触对中最多只能有一个由节点构成的接触面。
在此次分析中，防喷器壳体、闸板和钻杆一共有四个接触对（见图4），是复杂的非线性接触问题。在模型中，壳体闸板腔室内表面、闸板外表面、两闸板闭合接触面、闸板前密封面及钻杆外表面均设为接触面。有限元分析中，这些接触对将自动进行有限元接触问题的数学、力学问题求解计算。
接触属性包括两部分：接触面之间的法向作用和切向作用。在进行闸板承压能力分析时，对于法向作用，默认关系是“硬接触”（Hard Contact ），即接触面之间能够传递的接触压力的大小不受限制；当接触压力变为负值或零时，两个接触面就会发生分离，并且相应节点上的接触约束就会失效；对于切向作用，由于闸板相互之
间润滑良好，可以采用无摩擦属性。
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第9期
染印
(d) 闸板前密封面与钻杆接触对
(c) 闸板垂直面接触对 (b) 闸板水平面接触对
图4 闸板前密封面与钻杆接触对
关井时假设井筒压力为防喷器额定工作压力70MPa ，将此压力值以均布压力的形式施加在壳体的内部承压面及闸板下表面。壳体的外表面上施加作业水深处的静水压力。壳体、闸板及钻杆的剖面施加对称约束，其他固定端施加固支约束，详见图5
。
(a) 防喷器内压施加示意图
(b) 防喷器外壁静水压力施加示意图图5 闸板前密封面与钻杆接触对
2.4 计算结果分析
当壳体内壁承受的是额定工作压力（70MPa ）时，从应力云图6可以看出最大等效应力出现在防喷器壳体通径与闸板腔室闸板相贯处，并且是闸板腔室与闸板接触上表面的部
位。最大等效应力值为496MPa ，小于屈服极限
586MPa ，说明在额定工作压力下，闸板关闭时，
壳体及闸板强度满足要求。
图6 闸板内壁与钻杆接触对
(a) 双闸板防喷器壳体应力云图
(b) 双闸板应力云图图7 闸板内壁与钻杆接触对
3 结论
（1）利用有限元软件建立了水下防喷器的三
（下转68页）
王鹏等 水下闸板防喷器有限元建模及关井仿真分析
通过图7a 可见，在壳体闸板腔室与闸板的接触部位，受到的应力值较大。因为闸板将受到的压力传递到闸板腔室上壁处，而此处是壳体通径与闸板腔室的相贯处，结构突变明显，因此在两个部件的接触部位产生了比较明显的应力集中。通过两个闸板的应力云图（图7b ）可见，闸板承受的最大等效应力为462.8MPa ，发生在闸板前端结构转角处，这里靠近压力直接作用区域，是闸板结构突变处，同时是两闸板接触的部位，因此应力集中比较明显。
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技术交流
石油和化工设备2019年第22卷
收稿日期：2019-04-17；修回日期：2019-07-15
案等。工艺设计的原则是在保证安全可行的情况下，基于工厂实际的设备设施能力，提高整个建造过程的施工效率。4.2 总体建造方案
总体建造方案是工艺设计的核心，涉及整个导管架的建造流程，是重中之重。其设计应根据工厂的设备设施能力，将导管架进行分片，从而可以实现模块化预制，确定各分片的安装顺序，确定各附件的安装时机和顺序，确定建造过程的临时支撑结构。附件的预制和安装应特别给与重视，应以附件陆地安装减少空间组对焊接为原则，同时应注意附件安装顺序对总组过程和临时支撑结构布置的影响，以防碰撞，造成返工。4.3 单片预制方案
在确定分片信息后，应编制单片预制方案，单片预制方案中应体现单片所包含的具体结构信息（包括所带附件）、组对顺序、尺寸控制信息、支撑垫墩信息、总组和吊装临时加强信息等。
4.4 吊装方案
钟炳明
斗鱼杨博吊装方案是整个导管架建造过程中涉及安全的最重要的工艺文件，其编制的应以安全可行为基本原则。吊机和吊索具的安全系数选取、单片结构强度的校核应严格依据相关规范和体系要求。同时应对整个吊装过程以及总组就位过程进行三维仿真模拟，以避免吊装过程中结构的碰撞，尤其是附件、临时结构之前的碰撞。5 结论
综上所述，导管架的加工设计应该面向并服务于生产组织，设计出图工作应在满足施工现场设计深度的基础上，向着自动化的方向迈进，以节省人力成本、提高设计效率为目标，工艺设计应在安全可行的基础上，以节省施工资源、提高施工效率为目标。
（上接33页）
◆参考文献
美国人的性生活
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[3] 贾甲，沈跃，张令坦，等. 闸板防喷器关闭过程的瞬态压力特性研究[J].石油机械，2016，44(3)：1-
5+17.xp仿windows7主题包
[4] 唐洋，刘清友，杜利，等. 闸板防喷器壳体应力分布试验测试与分析[J].石油机械，2013，41(7)：15-18+32.
[5] 马卫国，陈婷，徐杏娟，等. 带压作业闸板防喷器胶芯密封性能分析[J].石油矿场机械，2017，46(3)：29-32.
[6] 付海龙，王金友，贾光政，等. 带压作业闸板防喷器关键部件的有限元分析[J].石油机械，2008，36(8)：25-27. 收稿日期：2019-06-11；修回日期：2019-07-18
维实体模型，直观地展示了防喷器结构构造，为防喷器应力分析提供分析基础。
（2）对水下防喷器的承压主壳体及双闸板进行了有限元分析计算，给出了额定工作压力条件下的应力云图，按照API 标准中的方法进行了强度校核，校核结果显示闸板及壳体均满足强度要求。
（3）通过承压分析得出了防喷器高应力区域集中在壳体及闸板的接触部位，在防喷器检查及维保中要重点关注，确保井控设备安全。
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