基于ANSYS的油管挂结构可靠性分析

朱元坤，刘 健，秦浩智，刘文霄，肖文生

(1.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266555；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)

基于ANSYS的油管挂结构可靠性分析

朱元坤1，刘 健1，秦浩智1，刘文霄2，肖文生1

(1.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266555；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)

利用ANSYS/APDL语言建立油管挂参数化模型，将油管挂的结构尺寸、工作载荷、材料性质等设为服从正态分布的随机变量，并运用Monte-Carlo抽样法对油管挂进行随机有限元分析，得到油管挂可靠度为96.22%，证明了该结构在实际工况下的可靠性。通过灵敏度分析可知，油管挂总长度以及内压是影响油管挂可靠性的最主要因素。该结论为油管挂等其它水下复杂结构的可靠性及结构优化提供理论支撑。

采油树；油管挂；结构可靠度；灵敏度

油管挂作为水下油气开采过程中核心的承/控压部件[1]，其结构强度是决定水下油气开采系统运行可靠性的重要因素之一。随着海洋油气开采的快速发展，海洋石油工业逐步从浅海向中深海域发展的趋势[2]，使得油管挂工作环境变得更加恶劣，对结构强度和性能提出了更高的要求。因此，研究油管挂工作的应力分布，评估其可靠性是非常有必要的。油管挂三维和二维模型如图1所示。

考虑到油管挂加工误差以及在实际工作过程中其材料参数和载荷存在随机性或者模糊性[3]，笔者采用ANSYS概率设计模块，对油管挂参数化几何模型进行可靠性分析；并运用蒙特卡罗法模拟变量的随机性，分析各随机变量对油管挂结构可靠性的影响程度，以期为设计出适合我国深海水域的高可靠度油管挂系统提供理论依据和技术支撑。

a 三维模型

b 二维模型

1 基本理论

由于油管挂的结构尺寸以及材料参数和载荷存在不确定性，为此在工程设计阶段引入随机方法，不仅能有效避免传统方法存在的不足，而且能保证结构设计质量，满足实际工程需要。在进行可靠性分析时，其主要任务是分析结构的工作临界状态，即结构的极限状态[4]。

设随机变量X=(X1，X2，…，Xn)，表示结构的随机变量组成，且结构功能函数Z为

Z=g(X1，X2，…，Xn)

(1)

结构的极限状态是指结构处于失效(Z<0)与安全(Z>0)的临界状态，其方程式为

Z=g(X1，X2，…，Xn)=0

(2)

作为主要承载工作载荷的油管挂，其结构可靠性研究基础是应力-强度干涉模型[5]，即结构强度R和载荷应力S的一种对应关系。极限状态函数可以简化为

Z=R-S

(3)

由可靠性理论可知，在可靠性结构设计中，需满足Z>0的条件，即结构的可靠度求解与求解Z=g(x)>0的概率是等价的[6]。因此，利用ANSYS的PDS分析模块计算极限状态概率，从而得到结构的可靠度。

2 油管挂可靠性分析

正常生产时油管挂作为水下采油树重要的承/控压部件，主要功能有：悬挂油管；在生产、环空和控制系统之间形成环形密封圈；控制调节油管柱与生产套管之间压力，并承受油管柱内的压力[7]。

在研究油管挂强度可靠性时，要充分考虑油管质量、内部压力载荷、水深、腐蚀及结构尺寸等因素。

2.1 油管质量

油管挂主要的功能就是悬挂质量达几十吨的油管，油管质量计算式为

W=[(R-h)×h]×0.024 66

(4)

式中：W为单位长度油管质量，t；R为油管外径，mm；h为油管壁厚，mm。

2.2 内部压力载荷

油管挂作为主要承压部件，承受着极高的压力载荷。内压主要是指正常生产时油管挂通过的油压。

因水深的增加，水下采油树处于极高的外部压力，易引起结构部件的裂纹损伤；海水以及油气的腐蚀很容易导致采油树结构以及油管挂密封结构的损坏，从而造成油气泄露。

在实际工作过程中，油管挂承载较大的工作载荷。利用ANSYS对油管挂进行可靠性分析，利用APDL语言建立的简化油管挂主体三维模型如图2。模型采用20节点SOLID187实体单元。油管悬挂器主体的材料为合金钢AISI8630[8]，材料的屈服极限为588 MPa。弹性模量为 210 GPa，泊松比为0.3。

图2 油管挂主体ANSYS模型

考虑到油管挂的加工误差、材料参数和工作条件都存在随机性，且服从一定分布[9]，本文选取油管挂的材料参数、工作载荷和设计变量3种类别，共8个参数作为随机变量。选取的随机变量及其分布特征如表1所示。

表1 设计变量的分布

采用蒙特卡洛拉丁超立方(U-IS)抽样法对油管挂几何模型进行抽样，抽样次数为1 000次，得到图3所示的抽样趋势图。3条抽样曲线中，上下两条曲线代表置信区间的上下限，中间的曲线代表抽样均值的变化情况。

图3 MAXSTR抽样曲线

从图3可以看出，3条曲线在后期都趋于水平，且MAXSTR均值逐渐收敛。表明1 000次抽样可以满足油管挂可靠性分析精度要求。

随机变量的直方图作为概率分析(PDS)的重要结果，可以通过绘制其变量直方图来验证模拟抽样次数是否足够多。取随机变量P1和LOAD1，其分布直方图如图4所示(由于篇幅问题，未给出其他随机变量的直方图)。

a 内压

b 油管重力

从图4可以看出，P1和LOAD1的分布直方图接近正态分布曲线，且曲线光滑，说明该抽样次数已足够多，可以保证分析结果的准确性。

3 模拟结果分析

通过ANSYS概率分析模块，得到油管挂可靠性分析结果如图5所示。图5a为极限函数Z(X)的累积分布图；图5b为极限状态Z<0的概率。从图5可以看出，在置信度为95%及抽样次数1 000次的情况下，Z(X)<0的平均概率值为0.037 703 7，即油管挂的的可靠度约为96.22%。模拟效果对比如表2。

a 极限函数Z(X)的累积分布

b 极限状态Z<0的概率

抽样次数1005001000Z<0概率0.03950190.03955550.0377037

4 灵敏度分析

灵敏度分析是ANSYS概率分析模块中重要的组成部分[10]。油管挂最大应力灵敏度分析结果如图6所示。由图6可以看出，对油管挂最大应力的有显著影响的主要因素是油管挂总长度和内压。这2个变量均为正值(正号代表该随机变量的变化对结构可靠性起正面作用)，表明油管挂的可靠性随这2个随机变量的增大而增大。

图6 灵敏度分析结果

随机变量对油管挂可靠性的影响程度如表3所示。为保证油管挂结构可靠度，应根据灵敏度分析的结果来修改油管挂的相关设计变量，例如在设计和制造过程中严格控制对可靠性影响显著的变量。为减小油管挂结构的最大应力值，应首先进行结构尺寸优化，而不是考虑其它非重要的设计变量。

表3 随机变量对油管挂可靠性的影响程度

5 结论

1) 本文利用ANSYS分析平台，编制油管挂结构的APDL建模-分析命令流，并利用PDS分析模块对油管挂结构进行可靠性分析。为油管挂结构的可靠性设计提供了一种仿真分析方法。

2) 分析结果表明，油管挂可靠度为96.22%。通过灵敏度分析可知，总长度以及内压是影响油管挂结构可靠性的关键因素。

3) 通过实例分析，证明了ANSYS/PDS概率设计模块分析油管挂失效概率或可靠度的可行性，为后续的油管挂优化设计提供了依据。

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下期目次预告

王倩琳等 变压力工况下井口装置的疲劳失效演化规律研究武延鑫等 热采井高温条件下机械筛管强度变化规律模拟研究

王丽男等 油管挂安装工具C形环变形量对结构强度影响

张会会等 弯曲井段下壁厚对波纹管膨胀性能的影响

张长齐等 水下采油树电液复合控制系统设计

刘 菲等 连续油管导向器结构形式及受力分析

阚长宾等 冲砂同心管用Z331型自封封隔器研制

周建立 井下钻井液采集模拟装置的设计与试验

刘 涛等 纳米材料及化学改性对油井盘根耐磨性的影响

同 辉 剪切帽技术对PDC切削齿的保护原理及应用

魏培静等 电驱动石油钻机的安全控制技术研究

黄 钰 超大管径海底管道长距离登陆拖拉技术研究

贺行政等 车载天然气泄漏检测装置的结构设计

王 莎等 深水防喷器控制系统试验样机研制

葛伟凤等 基于权重分析的海上井控设备风险分级方法

付亚荣等 热洗井空心抽油杆下入深度的计算模型

肖国华等 长行程管柱补偿器的研制与应用

Reliability Analysis of Tubing Hanger Structure based on ANSYS

ZHU Yuankun1，LIU Jian1，QIN Haozhi1，LIU Wenxiao2，XIAO Wensheng1

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China)

By using ANSYS/APDL language，the parametric model of tubing hanging is set up.The structure size，working load and material properties of tubing are set as stochastic variables obeying normal distribution，and Monte-Carlo sampling method was used to analyze the tubing hanging by stochastic finite element method，get the tubing hanger for a reliability of 96.22%，which proved the reliability of the structure under practical working conditions.Through the sensitivity analysis，the factors affecting the reliability of tubing hanging structure are obtained.The total length and the internal pressure are the most important factors affecting the reliability of tubing hanging.The conclusions provide theoretical and technical support for the reliability and structural optimization design of other complex underwater structures.

X-tree；tubing hanger；structural reliability；sensitivity

1001-3482(2017)04-0028-04

2017-02-12

国家工信部海洋工程装备科研项目“水下立式采油树研制”子课题“水下立式采油树下水安装及回收技术研究”

朱元坤(1990-)，男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事是石油机械、海洋油气装备的研究，E-mail：zhuyuankun2008@163.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.008