井口承压件的设计计算

井口承压件的设计计算
国家油气田井口设备质量监督检验中心
叶勇华
2014.10.21
概述
GB22513的设计部分针对井口产品的各类零件提出了要求，这些零件包括：
n连接装置：法兰、卡箍毂、其他端部连接装置
n悬挂器
n本体、盖
n阀杆
n封闭栓接等
概述
对于其他端部连接装置、本体、盖这类零件的设计，GB22513要求使用ASME第VIII卷第2册附录4给出的分析设计方法，并给出了静水压试验下的最大许用一次总体薄膜应力强度St和设计应力强度Sm：
1）St=5/6SY；
2）Sm=2/3SY。

但是，GB并未给出进一步的限定值。

概述
2014年3月，API发布了API Std 6X《承压设备的设计计算》第1版。

适用于石油天然气工业承压产品和设备的设计计算。

GB22513中缺少的设计准则和设计要求，在API 6X中均可找到。

目前，该标准正在转化为行业标准。

井口分析设计的方法分析设计方法主要包括：
1、弹性分析
2、非线性有限元分析
1）极限分析
2）塑性分析
3）安定分析
一、弹性分析
弹性分析假定材料有线性应力-应变关系，不考虑材料的屈服或塑性行为，其分析过程为：
1）计算应力分量：正应力分量σx，
σy，σz，剪应力分量τxy，τyz，τzx；
2）对应力分类并组合，计算应力强度；
3）与每一应力分类的极限值进行比较
一、弹性分析涉及到几个概念：
n应力分类
n应力强度
n强度理论
1.1弹性分析——应力分类
n应力分类的原因
压力容器的应力分布不均匀，当局部达到屈服时，其他大部分区域的应力还远远低于这一数值，这时，不仅整个容器不会达到屈服程度，而且，已经达到屈服的局部区域的应力增长也要受到限制。

因此，有必要且有可能将压力容器的应力加以分类，分清主次，根据各类应力对承压件强度影响的程度，采用不同的许用应力加以限制。

1.1弹性分析——应力分类n应力分类
API 6X与ASME采用同样的应力分类：1、一次应力
1）一次总体薄膜应力，Pm
2）一次局部薄膜应力，PL
3）一次弯曲应力，Pb
2、二次应力，Q
3、峰值应力，F
1.2弹性分析——应力强度
n应力强度的由来
压力容器中的应力状态，一般都是二向或三向应力状态。

因此，在强度的设计和计算中，必须建立各个主应力和许用应力之间的关系。

为计算简便起见，工程上引入了应力强度这一概念。

n概念
强度条件中，可以直接和许用应力进行比较、由一个或几个主应力组合成的量，叫做应力强度，在压力容器设计规范中用S表示。

1.2弹性分析——应力强度n 应力强度的计算
应力强度计算（例如如何由PL+Pb 计算SIII ），有三种方法。

、第一强度理论，即最大主应力理论，S=σ1；
最大剪应力理论，，这也是API 6X 所采用的；
2013 ASME 采用von Mises 变形能理论，如下：
＞σ2＞σ3，为某点的三个主应力
213232221=++])()()[(σ-σσ-σσ-σ
1.3弹性分析——强度理论
强度理论是关于材料在各种不同应力状态下破坏的理论。

常温时材料在不同受力形式下所发生的破坏大致分为两种：
1）塑性屈服，这类破坏总伴随有明显的塑性变形，例如压力容器的破损；
2）脆性断裂，没有明显的塑性变形。

围绕这两种破坏，出现了不同的强度理论，主要有第一、第二、第三、第四强度理论，其中，第二强度理论目前已很少采用了。

1.4弹性分析——强度设计准则
n根据各类应力对承压件强度的不同危害，给出不同的设计准则
API 6X中规定了各设计准则：
1）SI≤kSm，（SI由Pm算得）
2）SII≤k1.5Sm，（SII由PL算得）
3）SIII≤k1.5Sm，（SIII由PL+Pb算得）
4）SIV≤3Sm，（SIV由ΔQ算得）
k为应力强度系数，API 6X规定在操作条件下（即
额定压力、温度条件），k=1；极端条件（增加风载、地震、波浪载荷）下，k=1.2
1.5强度准则的依据
上述设计准则中的2）3），体现了以塑性失效为准则的强度设计观点。

这种观点认为，一点的应力强度达到屈服时，整个结构并不失效，而只有当整个截面上各点的应力强度达到屈服极限时，结构才算失效。

根据这一观点，局部薄膜应力和弯曲应力的应力强度都可以有较高的许用应力数值。

1.6弹性分析——应力计算
应力的计算可采用解析方法，2004
ASME 第VIII 卷第2册附录4 提供了典型压力容器零件的应力强度、应力分量的解析公式。

例如，对于圆筒壳体：一次总体薄膜应力强度一次加二次应力强度2
I p t pR S +=2
p t pR S +=1-Y pY 222=1-Y pY 2S 22
=
1.6弹性分析——应力计算
n应力的计算也可采用
有限元法。

为从总应
力中分离出薄膜应力
和弯曲应力，可用线
性化方法，具体的指
导见2013 ASME VIII第
2册附件5-A
1.7 有限元法示例
以闸阀阀体的有限元分析为例。

1）选择2条危险截面作为校核路径
1.7 有限元法示例2）应力分类
1.7 有限元法示例3）计算应力强度，校核。

二、极限分析
n极限分析基于理想弹塑性材料，其应力-应变曲线为双直线，超过屈服后，直线的斜率为零。

例如：
二、极限分析
n极限载荷的分析
逐渐增加载荷，直到模型严重变形或偏
离，如果收敛于有效载荷，这就是极限载荷
的下限，实际载荷能力不应超过此载荷的2/3。

应使用von Mises屈服准则。

2.1极限分析示例
当压力增加到216MPa
时，阀体模型出现了不收
敛，可以看到，整个承压
件壁厚都出现了屈服，表
明此时载荷为极限载荷的
下限。

因此其实际载荷能
力应不超过：
216MPa×2/3=144MPa
三、塑性分析
塑性分析是一种结构分析方法，考虑了实际材料的真实应力-应变曲线，计算在给定载荷下结构的行为，因为包括了形变强化效应，此方法比极限分析更准确。

应使用von Mises屈服准则。

3.1塑性分析示例
当压力增加到
345MPa时，模型出现了
不收敛。

可以看到，整
个承压件壁厚都出现了
屈服。

3.2关于真实应力-应变曲线
我们通常用到的是工程应力-应变曲线。

由于拉伸过程的每一瞬时，横截面和长度
都在变化，所以工程应力-应变不能真实反
映变形过程中应力和应变的变化
3.2关于真实应力-应变曲线
由于发生了形变强化，真实应力实际上
是一直在增大的。

3.3真实应力-应变曲线模型
2013 ASME VIII 第2册ANNEX 3-D中3-D.3给出了真实应力-应变的曲线模型
3.4真实应力-应变曲线计算
n依据2013 ASME II D篇查得：某低合金钢屈服强度485MPa、抗拉强度825MPa，25℃弹性模量204E3MPa。

将ASME模型输入matlab软件，输出如下：
四、安定分析（略）
完
欢迎各位专家批评与指正！。