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大钩钩身强度有限元分析与设计优化

发布于:2022-05-27 21:18
有限元分析

      DU675大钩是9000 m石油钻机游吊系统最重要的部件之一,在钻井作业中的主要作用为起下钻具、悬持钻柱、下套管;卡钻或遇阻时提拔钻柱,在解卡破阻排除事故时,可能要承受2倍最大钻柱质量的静载荷。传统大钩钩身的应力处理方法是将载荷在钩体承载表面上均匀分布,并将载荷离散后施加。此方法计算量大,且很难反映出大钩钩身真实的受力情况,而钩身是大钩承载的最重要的零件,钩身的使用寿命、强度和可靠性直接决定钻井作业的安全。在钻井作业复杂工况、最大钻柱重力和交变载荷的共同反复作用下,对钩身的综合力学性能、安全可靠性要求极高。
      本文利用ANSYS有限元分析软件,直接将最大钩载加载到钩身工作部位,对DU675型大钩钩身的应力进行计算分析,真实反映出钩身的应力分布情况,为大钩的可靠性提供了更为精准的理论校核依据,并用ZU20Ni2CrMo-M铸钢件替换了原来的T-217E材料。材料的屈服强度由原来的655 MPa提高到690 MPa,提高了钩身的综合力学性能,更加有效地提高了大钩的使用寿命和安全可靠性。
      建立完整的钩身几何模型,对钩身部分倒角和圆角在建模时作了简化处理。分析计算使用的软件为ANSYS WORKBENCH。根据API标准叫和ASME标准的相关规定,对大钩受力模型进行简化:假设施加在大钩上的载荷恒定,不随时间变化;假设大钩钩身的工况载荷、试验工况载荷分别为6750 kN和13500 kN。为了提高计算结果的精度,在有限元网格划分时,采用软件默认的整体网格自由剖分,Relevance的值选最大值100,这样剖分的网格密度最高;经过计算机网格剖分,钩身的节点数37059个,单元数21678个。
      由于大钩钩身是轴对称结构,建立的模型在对称而上不能有位移。在1/2钩身主钩工作部位的对称而上施加对称约束,对钩体圆筒施加垂直方向固定约束,即u=U。
      大钩钩身材料采用ZU20Ni2CrMo M的优质合金铸钢。
      DU675型大钩主钩受到钻具系统向下的载荷作用,根据ASME珊第2册AD篇校验部分的规定,应分别校核大钩在最大工作工况载荷6750 kN和最大试验工况载荷13500 kN条件下的强度是否满足要求。经有限元分析计算可知,主钩载荷在6750kN和13500 kN条件下分别对应的应力分布。
      最大应力发生在钩身主钩的承载部位。主钩载荷6 750 kN时应力集中处VorrMise、等效应力为352. 802 MPa;载荷13 500 kN时应力集中处Von Mise、等效应力为705. 604 MPa,均小于材料的极限强度795 MPa,满足材料强度要求。
      采用载荷直接加载在主钩工作部位,并根据API标准和ASME标准的有关要求,建立了DU675大钩钩身承载模型,更精准地模拟实际工况,并在最大试验工况载荷13500kN条件下对其进行强度分析计算。分析结果表明,其最大应力均小于极限强度795 MPa,满足设计强度要求。钩身材料采用ZU20Ni2CrMo M优质铸钢件,材料的屈服强度提高到690 MPa。通过本次设计优化和材料改进,提高了钩身的安全性、可靠性、使用寿命,有效解决了大钩在承受钻具最大交变冲击载荷时对钩身损坏的问题。该方法可推广用于DU450、 DU315DU320、DU225系列大钩游吊系统。


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