采油井日装置中闸阀阀体的应力分析及结构优化

龚凯 周海 张圆 姜玉虎 张水玉

(1.盐城工学院，江苏盐城224051; 2.江苏大学，江苏镇江212013; 3.江苏宏泰石化机械有限公司，江苏盐城224051)

摘要: 采油闸阀是井II装置的主要承压部件，其性能的好坏关系到井II装置的安全。针对江苏宏泰石化机械有限公司研制的组合密封双管注气井II装置中的闸阀，基于ANSYS Workbench软件对闸阀阀体进行应力、应变分析。结果表明:其应力主要集中在阀体相贯线部位。根据计算结果对其进行结构优化，最大应力值减小了13. 7000，为同类产品的设计和优化提供了理论依据。

关键词: 平板闸阀;阀体;应力分析;结构优化

0 引言

随着钻井深度的日益加深，对采油井口装置的要求越来越高。目前在用的组合密封双管注气采油井口装置中，关键承压及控压部件是闸阀的阀体，其结构复杂，由多种几何体平滑过渡构成，导致载荷的不连续和不均匀，常规的强度校核方法无法详细描述阀体的应力和应变分布情况。

在分析流道内部的受力情况时，常规方法是将复杂的闸阀阀体结构简化成等壁厚的厚壁圆筒进行强度验算，计算出流道内某一位置的轴向应力、切向应力和径向应力，3}，但是常规方法不能定量分析阀体结构复杂的特点和应力集中因素，导致分析结果与实际受力偏差大。本文基于ANSYS Workbench对阀体进行有限元分析，详细、定量分析其内表而压力分布情况，并根据分析的结果对其进行了优化，优化后有效地提高了阀体内表而承受压力的能力，提高了其使用寿命。

1 建立有限元模型

1.1 实体建模及网格划分

利用Pro/E软件，对组合密封双管注气采油井口装置中PFF6 5-3 5型闸阀阀体进行三维实体建模，由于该阀门为前后、左右对称结构，根据模型简化的理论，取整体结构的1/4作为计算对象。导入至ANSYS Workbench中进行网格划分，并对可能出现应力集中的地方进行网格细化，图1为网格划分后的1/4阀体模型，该模型共有85734个单元、56512个节点。

1.2 定义材料属性

材料属性的选取对有限元分析的结果很重要，选取的材料属性应尽量与真实材料的属性相符合。根据实际情况，阀体的材料为1Cr13，其力学性能参数川如下:密度为7750kg/m³;弹性模量为206 GPa;泊松比为0. 28;屈服强度为345 MPa;抗拉强度为540 MPa。

闸阀的工作温度为290℃-121℃。

1. 3 施加载荷与约束

载荷与约束的施加是分析的重要环节，其直接关系到计算结果的真实性曰。井口装置闸阀阀体的载荷与约束的施加如下:

(1) 闸阀上端和左右两端各有一个法兰，与其他阀门或法兰盖相连接。由于分析的模型是其1/4，因此对建立的1/4模型的左端和上端而全约束。

(2) 分析模型是对称模型，因此在对称而施加一个无摩擦约束，即对称而约束，约束掉对称而法线方向的位移。

(3) 对其内流道而施加设计载荷35MPa。具体的载荷与约束的施加如图2所示。

2 计算结果及分析

图3为闸阀阀体的等效应力云图，从图3中可以看出阀体的最大等效应力为234.17MPa，材料的屈服强度为345MPa，最大等效应力接近材料的屈服强度。

由于闸阀中腔的界而为近似椭圆的形状，在腔体尖角部位及流道相贯部位发生应力集中现象。

对应力集中的地方进行进一步分析，图4和图5分别为竖直腔体及相贯线和水平腔体内的应力云图。图6、图7分别为垂直腔体及相贯线和水平腔体上的应力分布情况。

从图4一图7中可以看出:两腔体相交的B、C点处，应力值都较大;上法兰腔体处的A点也出现应力集中现象，而图5中左侧法兰腔体内1点处的应力值较小。