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套管懸掛器抗內壓結構安全性分析

文檔作者：楊贊達劉繪新胥志雄王延民梁紅軍胡文禮曾曉蘭文檔來源： 1．西南石油大學機電工程學院 2．中石油塔里木油 3．中國石油天然氣管道局第五工程公司 4．寶雞石油機械有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2021年09月10日
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2Ol4年
第2期
第43卷
第75頁
石油礦
oIL FIELD
場機械
EQU1PMENT
文章編號：1001—3482(2014)02—0075 04
套管懸掛器抗內壓結構安全性分析
楊贊達 ，劉繪新 ，胥志雄 ，王延民 ，梁紅軍。，胡文禮。，曾曉蘭
(1．西南石油大學機電工程學院，成都610500；2．中石油塔里木油lit，新疆庫爾勒841000；
3．中國石油天然氣管道局第五工程公司，河北任丘062552；4．寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002)
摘要：由于井身結構廣泛采用非標套管，需要研制非標套管懸掛器。針對206．4 ram(8 1．4英寸)套
管懸掛器，采用理論計算與有限元仿真相結合方法。對套管懸掛器在試壓(105 MPa)條件下進行
強度校核。研究表明：16 mm壁厚時可承受最大壓力120．336 MPa；套管懸掛器坐封完畢，最大應
力437．3 MPa，低于725HS鎳基合金的屈服強度(1 074 MPa)，套管懸掛器強度在安全范圍。此研
究方法可以推廣到其他非標套管懸掛器的研發(fā)，研究結果對于確保油氣井的正常鉆采作業(yè)具有十
分重要的意義。
關鍵詞：套管懸掛器；強度；分析；有限元
中圖分類號：TE925 文獻標識碼：A
Casing Hanger Internal Pressure Structural Safety Analysis
YANG YUrl—da 。LIU H ui—xin ，XU Zhi—xiong ，W ANG Yan—m in ，
LIA NG H ong—j un ，HU W en—li。，ZENG Xiao—lan
(1．College of Mechanical and Elect~‘ical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 6 10500，China；
2．PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China；
3． L F fth Largest Natural Gas Engineering Company，China Petroleum Pipeline Bureau，Rengqiu 062552，China；
4．Bao i Oilfield Machinery Co．，Ltd．，BaoJi 721002，China)
陷，密封效果不好，可以改為迷宮密封或離心密封。
脂潤滑軸承最好在軸承盒上增加卸荷閥，能放氣防
憋，以保護油封和判斷脂加注量，還能排出多余的老
化油脂。
4) 水氣葫蘆密封采用的是一對或數對動環(huán)
與靜環(huán)組成的接觸式機械密封裝置。
8 結論
1) 通過對JC5oB型絞車不同部位的結構分
析，采用合理的密封方式，消除了漏油隱患。使用現
場沒有發(fā)現漏油現象。
2) 絞車的密封是一項綜合技術，文中所研究
的只是目前的研究成果，需要長期實踐應用才能檢
驗是否存在缺陷。
3) 以后改進的方向仍然是簡化結構，出現漏
油后易解決和易控制，降低成本。
參考文獻：
[1] 陳大先．機械設計手冊(第3卷)[M]．北京．化學工業(yè)
出版社，2009：235．
[2] 李東海，劉建華，顏丙山，等．抽油機雙圓弧減速器漏油
故障分析及解決措施[J]．石油礦場機械，2011，40(
1)：87—90．
[3] 趙景杰．絞車架焊接變形的控制與矯正[J]．石油礦場
機械，2003，32(5)：84—86．
收稿日期：2013 08—09
基金項目：中石油科研課題“氣體鉆井井El裝置沖蝕機理研究與結構改進”(2010C一2100)
作者簡介：楊贊達(1984一)，男，四川內江人，碩士研究生，研究方向為石油天然氣裝備設計，E—mail：592419412@qq．corn
· 76 · 石油礦場機械 2O14年2月
Abstract：As well structure widely has been used non—standard casing，SO it is necessary to re—de—
velop non—standard casing hanger．In this paper，by adoption of 8 1．4”casing hanger，theoretical cal—
culation and finite element simulation combined analysis were used．Under the 1 0 5 M Pa，the pres—
sure of casing hanger has been tested the strength．Studies show that：under the Casing hanger
pressure test processing，16mm W al1 thickness withstood the maximum pressure120．336 M Pa．
Casing hanger packer has been completed，with maximum stress 437．3 MPa，which lower yield
strength of the Ni—based alloy．Casing hanger strength has been in a safe range．This research
method can be extended to other non—standard casing hanger development，the results will not on—
ly be able to meet the engineering requirements，but also to ensure the normal drilling operations
wells has very important significance．
Key words：casing hanger；strength；analysis；FEM
近年來，由于井身結構廣泛采用非標套管，需要
重新研制非標套管懸掛器。針對實際工況進行非標
套管懸掛器的強度計算與分析，不但能夠滿足工程
技術要求，同時對于確保油氣井的正常鉆采作業(yè)具
有十分重要的意義。
1 設計參數
1．1 結構參數及材料性能
本文針對206．4 mm(8 英寸)套管懸掛器進
行強度分析。套管下部螺紋為TP—NF，璧厚16
mm，材料P110一Superl3Cr，接箍外徑0220 mm，理
論質量75 kg／m?？箖葔?02．84 MPa。設計井深
5 450 m，套管懸重4 087．5 kN。套管懸掛器擬采用
725HS鎳基合金材料，根據標準要求，材料經過固
熔時效處理后硬度≤41 HRC；屈服強度R l≥1 074
MPa，抗拉強度R ≥ 1 373 MPa，斷面收縮率z≥
44 ，伸長率A≥ 24．6 ，一46 。C 的低溫沖
擊功≥49 J。
1．2 套管懸掛器抗內壓的理論計算
206．4 mm(8 英寸)套管懸掛器參照圓筒形殼
體進行強度校核。先按ASME壓力容器規(guī)范校核
懸掛器在105 MPa的額定工作壓力下需要的理論
璧厚。
按ASME壓力容器規(guī)范的規(guī)定，設計許用應力
按式(1)計算：
9 C
ST一0．83Sy，S 一—ge oy (1)
O
式中：Sr為試驗壓力下的最大許用主膜應力；S 為
材料規(guī)定的最低屈服強度；S 為額定工作壓力下的
設計應力。
設計采用725HS鎳基合金材料，其最低屈服
強度R 一1 074 MPa，最低抗拉強度R 一1 373
MPa，根據設計要求，取材料的最低屈服強度
Sy一1 074 M Pa。
ST一0．83Sy一0．83× 1074— 891．4 MPa
S - 2St
n 一 n 一 716 M Pan
校核璧厚。ASME壓力容器規(guī)范中圓筒形殼
體璧厚校核的計算公式：
(2)
式中：t為殼體的最小需要厚度，即懸掛器上部最薄
處璧厚為16 mm；R為殼體內半徑，即懸掛器的最
小直徑o174．4 mnl處的半徑為87．2 mm；P為設計
內壓力，即額定工作壓力105 MPa；S為在設計溫度
時用于封頭計算的許用應力，即S 一716 MPa。
套管懸掛器內徑O174．4 mm、外徑0206．4
mm，壁厚為16 mm，即為最薄弱處。在內壓105
MPa時，此處最容易產生變形，故對此處進行強度
校核。
將以上數據代人，校核懸掛器在105 MPa內壓
所需要的壁厚：
。 一 S 0 5 一 16 0 5 105 _ 13．80 mm (3)
一
． 聲7 ～ ． × ? ～
懸掛器的實際壁厚為16 mm，大于計算壁厚
13．80 mm，滿足設計要求。
校核抗內壓強度。已知套管懸掛器實際璧厚
￡一16 mm，725HS鎳基合金材料的許用應力S 為
716 MPa，假設懸掛器為壓力容器的殼體，其殼體內
半徑R一87．2 mm，經校核，該璧厚條件下能夠承受
的內壓力：
第43卷第2期 楊贄達，等：套管懸掛器抗內壓結構安全性分析
p， 一 R+ 0 5t 一 87 2 0 5 16 - 120．336 M Pa
． ． + ． × ‘ ? “
(4)
因此，206．4 mm(8 英寸)的套管懸掛器，在璧
厚為16 mm，材料為725HS鎳基合金時，其抗內壓
為120．336 MPa，可以滿足現場的使用要求(試驗壓
力105 MPa)。
1．3 套管懸掛器螺紋的有限元分析
針對套管懸掛器螺紋問題，國內外學者主要通
過有限元分析和試驗相結合的方法對螺紋連接部位
的應力進行研究[2]。由于螺紋接觸分析涉及到材
料、幾何的非線性，要求得數學上的解析解是非常困
難_3]，因此本文以206．4 mm(8 英寸)套管懸掛器
螺紋為例，使用Abaqus隱式算法進行螺紋的有限
元分析。
彈塑性接觸問題的基本方程：
[K(“)]{U}一{P)+{R(11)) (5)
式中：[K(11)]為系統的剛度矩陣，在非線性系統中
是位移向量f }的函數；{ )為節(jié)點位移向量；(P)為
整體載荷矩陣；{R(11))為整體接觸力向量，是接觸
點相對位移的函數。
對于非線性接觸方程存在接觸狀態(tài)迭代和塑性
修正迭代兩種迭代求解過程。求解時先用Newton
迭代法解式(5)外層循環(huán)，再利用式(5)中嵌套的內
層循環(huán)解出R(“)l4]。
令式(5)中f(u )一{p)+{R(U ’))則Newton
迭代法的求解過程可表述為：
{Au )一～[KT(H )] {o／(u )) (6)
{If，(1l ’)一 [B] { )d'，一
{f(u ))一{R(u ’)) (7)
{U 州 )一{U )+{Au ) (8)
式中：U 為節(jié)點位移向量；Au 為節(jié)點位移向量增
量；FK (“ )]為系統切線剛度矩陣或初始切線剛
度矩陣；{ (1l ))為系統不平衡力向量；{盯 ’)為應
力向量；EBI為應變矩陣。
利用有限元混合法求解式(5)中的{R( )}，
最終可得到如下方程：
L[l Q 0] ll△l J}> 一 {l △F ” J > (㈤ )
R 一ΣAR (10)
式中：IF]為系統內力的撓度矩陣；IF ]為位移變換
矩陣； 為由外載荷在接觸節(jié)點上產生的相對位
移；8H(n-”為當前一對接觸節(jié)點間距向量；[Q]為接觸
內力變換矩陣；△ll 為附加在剛體位移約束自由度
上的位移增量向量；△F 為外載荷增量引起的合力
增量。
1．4 套管懸掛器螺紋材料的力學分析
根據套管懸掛器和套管的結構特點，為了簡化
模型而做如下假設：
1) 材料為各向同性均勻的彈性體。
2) 忽略殘余應力的影響。
3) 忽略套管懸掛器及套管的橢圓度、壁厚不
均勻度的影響；將套管懸掛器和套管簡化，忽略套管
掛體及套管筒體對螺紋強度影響不大的幾何特征
部分。
套管懸掛器螺紋所使用的材料為725HS鎳基
合金，為各向同性彈塑性材料，彈性模量為2．O5×
10 MPa，泊松比為0．3，材料的應力一應變關系如圖
1。當真實應力超過955 MPa時材料進入理想塑性
狀態(tài)。
日
崔
b
蜮
圖1 材料的真實應力一應變曲線
當套管懸掛器接頭螺紋的Von Mises應力超
過材料的屈服極限時，螺紋在相應工作載荷下進入
塑性狀態(tài)。Von Mises屈服準則 可表述為：
一√專[( 一 z)。+( z一鞏) +( 一口 ) ]
(11)
式中： 為Mises應力，MPa； 1、 2、 為主應
力，MPa。
2 有限元計算結果
通過Abaqus隱式求解器求解，可得到套管懸
掛器螺紋在試壓105 MPa工作載荷下的受力及應
力情況。圖2為送人工具與懸掛器裝配圖。在下放
套管時，套管懸掛器與套管通過螺紋連接為整體，利
用套管懸掛器的下放工具將其從平臺上下放至井
口內[ 。

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