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海底蘊(yùn)藏著極其豐富的石油天然氣資源，并且陸地和淺海地區(qū)的油氣資源正在逐漸減少，甚至枯竭，然而對(duì)于能源的需求量卻在不斷上升，油氣資源的開發(fā)重點(diǎn)也轉(zhuǎn)向深海。國(guó)內(nèi)3大石油公司均開始了海洋深水油氣勘探開發(fā)裝備的研究工作，計(jì)劃研制具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋石油裝備。海洋石油水下裝備具有高投入、高技術(shù)和高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來被國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，這嚴(yán)重制約了我國(guó)海洋油氣的勘探開發(fā)。高壓模擬試驗(yàn)艙能為海洋石油裝備提供高壓條件下的水密性檢驗(yàn)、承壓強(qiáng)度檢驗(yàn)和疲勞檢測(cè)，為海洋水下生產(chǎn)裝備關(guān)鍵零部件的深水測(cè)試提供硬件條件。目前，中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制并裝備了能夠模擬1500和3000m水深的深水高壓艙各1套，用于海洋石油開發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)承壓檢測(cè)，保障海洋石油開發(fā)的安全。但是，當(dāng)前的深海勘探裝備作業(yè)水深一般為6000m，高壓艙在工作時(shí)要密封高達(dá)60MPa的海水壓力。為此，設(shè)計(jì)了一種承壓60MPa的高壓艙，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析和焊接結(jié)構(gòu)分析，以期為深海高壓艙的設(shè)計(jì)提供參考。
依據(jù)JB4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)高壓艙進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，包括封頭、圓筒體、艙體接頭、端蓋、擋環(huán)塊結(jié)構(gòu)以及開孔補(bǔ)強(qiáng)、密封和焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖為高壓艙結(jié)構(gòu)示意圖。方案設(shè)計(jì)中，采用16塊擋環(huán)塊嵌入艙體接頭凹槽將端蓋壓緊，采用高壓密封。設(shè)計(jì)高壓艙內(nèi)壓p=60MPa，內(nèi)徑D=3500mm。由16塊相同擋環(huán)塊組成的擋圈內(nèi)徑D=3300mm，外徑Dz=4100mm。為保證能夠有效安裝，每塊擋環(huán)塊圓心角a應(yīng)小于22.5°。在安裝時(shí)，最后一塊擋環(huán)塊的外徑弧長(zhǎng)應(yīng)小于或等于已安裝的巧塊組合成的內(nèi)徑圓弧缺口長(zhǎng)度，列成不等式為：帶入數(shù)值可求解a=22.160，為進(jìn)一步保證可靠安裝，取a=22.100。高壓艙可模擬深海高壓環(huán)境對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，深海溫度比地面溫度變化小，故設(shè)計(jì)溫度為200℃鋼材的許用應(yīng)力值取常溫下標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，下限值的1/2.6與常溫下屈服強(qiáng)度S的1/1.5中較小值。焊接采用100%無損探傷，取焊縫系數(shù)1.00。
設(shè)計(jì)封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，艙體為圓筒體，選用材料均為低合金鋼35CrMo，許用應(yīng)力377MPa。圓筒體壁厚計(jì)算式為：K為橢圓形狀系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1。由計(jì)算得303mm，由計(jì)算得291mm。厚度附加量C包括2部分，厚度負(fù)偏差C，和腐蝕裕量Cz，根據(jù)高壓艙工況取C=C+Cz=4mm。取封頭厚度和圓筒體厚度均為307mm。端蓋與擋環(huán)塊的材料選用37SiMnCrNiMoV，許用應(yīng)力739MPa。依據(jù)彈性力學(xué)圓板軸對(duì)稱問題進(jìn)行分析，在端蓋內(nèi)取一微元進(jìn)行分析，受力為：向正應(yīng)力、徑向正應(yīng)力、周向正應(yīng)力和切應(yīng)力，并且最大撓度出現(xiàn)在圓板中心，彎矩最大絕對(duì)值則出現(xiàn)在邊界上。在圓板中心處建立方程可求出3個(gè)主應(yīng)力，并根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終求解得端蓋厚度h=511mm。同樣的方法可計(jì)算擋環(huán)塊厚度h=323mm。基于VB程序語(yǔ)言對(duì)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行二次開發(fā)，依據(jù)高壓艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編寫了高壓艙分析軟件。利用該軟件可以通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)計(jì)界面對(duì)高壓艙的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模和有限元分析。
利用高壓艙分析軟件輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，便可調(diào)用ANSYS進(jìn)行后臺(tái)批量處理，并生成應(yīng)力云圖作為分析設(shè)計(jì)依據(jù)。采用第三強(qiáng)度理論作為強(qiáng)度評(píng)判依據(jù)，在ANSYS軟件中選擇stress intensity應(yīng)力分析對(duì)封頭、圓筒體、端蓋、擋環(huán)塊、端蓋、艙體接頭、開孔及焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)圓筒體強(qiáng)度進(jìn)行分析。將第1節(jié)計(jì)算的壁厚等參數(shù)作為基礎(chǔ)，輸入?yún)?shù)如下：施加內(nèi)壓60MPa，內(nèi)徑3500mm，高度3500mm，厚度307mm，彈性模量206GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。計(jì)算結(jié)果顯示，圓筒體內(nèi)壁的最大應(yīng)力值為434MPa，超過了35CrMo。鋼的許用應(yīng)力377MPa；對(duì)壁厚進(jìn)行修正，在壁厚為370mm時(shí)，圓筒體內(nèi)壁最大應(yīng)力值為376MPa。
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