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套管悬挂器抗内压结构安全性分析

文档作者：杨赞达刘绘新胥志雄王延民梁红军胡文礼曾晓兰文档来源： 1．西南石油大学机电工程学院 2．中石油塔里木油 3．中国石油天然气管道局第五工程公司 4．宝鸡石油机械有限责任公司		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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2Ol4年
第2期
第43卷
第75页
石油矿
oIL FIELD
场机械
EQU1PMENT
文章编号：1001—3482(2014)02—0075 04
套管悬挂器抗内压结构安全性分析
杨赞达 ，刘绘新 ，胥志雄 ，王延民 ，梁红军。，胡文礼。，曾晓兰
(1．西南石油大学机电工程学院，成都610500；2．中石油塔里木油lit，新疆库尔勒841000；
3．中国石油天然气管道局第五工程公司，河北任丘062552；4．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002)
摘要：由于井身结构广泛采用非标套管，需要研制非标套管悬挂器。针对206．4 ram(8 1．4英寸)套
管悬挂器，采用理论计算与有限元仿真相结合方法。对套管悬挂器在试压(105 MPa)条件下进行
强度校核。研究表明：16 mm壁厚时可承受最大压力120．336 MPa；套管悬挂器坐封完毕，最大应
力437．3 MPa，低于725HS镍基合金的屈服强度(1 074 MPa)，套管悬挂器强度在安全范围。此研
究方法可以推广到其他非标套管悬挂器的研发，研究结果对于确保油气井的正常钻采作业具有十
分重要的意义。
关键词：套管悬挂器；强度；分析；有限元
中图分类号：TE925 文献标识码：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，可以改为迷宫密封或离心密封。
脂润滑轴承最好在轴承盒上增加卸荷阀，能放气防
憋，以保护油封和判断脂加注量，还能排出多余的老
化油脂。
4) 水气葫芦密封采用的是一对或数对动环
与静环组成的接触式机械密封装置。
8 结论
1) 通过对JC5oB型绞车不同部位的结构分
析，采用合理的密封方式，消除了漏油隐患。使用现
场没有发现漏油现象。
2) 绞车的密封是一项综合技术，文中所研究
的只是目前的研究成果，需要长期实践应用才能检
验是否存在缺陷。
3) 以后改进的方向仍然是简化结构，出现漏
油后易解决和易控制，降低成本。
参考文献：
[1] 陈大先．机械设计手册(第3卷)[M]．北京．化学工业
出版社，2009：235．
[2] 李东海，刘建华，颜丙山，等．抽油机双圆弧减速器漏油
故障分析及解决措施[J]．石油矿场机械，2011，40(
1)：87—90．
[3] 赵景杰．绞车架焊接变形的控制与矫正[J]．石油矿场
机械，2003，32(5)：84—86．
收稿日期：2013 08—09
基金项目：中石油科研课题“气体钻井井El装置冲蚀机理研究与结构改进”(2010C一2100)
作者简介：杨赞达(1984一)，男，四川内江人，硕士研究生，研究方向为石油天然气装备设计，E—mail：592419412@qq．corn
· 76 · 石油矿场机械 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
近年来，由于井身结构广泛采用非标套管，需要
重新研制非标套管悬挂器。针对实际工况进行非标
套管悬挂器的强度计算与分析，不但能够满足工程
技术要求，同时对于确保油气井的正常钻采作业具
有十分重要的意义。
1 设计参数
1．1 结构参数及材料性能
本文针对206．4 mm(8 英寸)套管悬挂器进
行强度分析。套管下部螺纹为TP—NF，璧厚16
mm，材料P110一Superl3Cr，接箍外径0220 mm，理
论质量75 kg／m。抗内压102．84 MPa。设计井深
5 450 m，套管悬重4 087．5 kN。套管悬挂器拟采用
725HS镍基合金材料，根据标准要求，材料经过固
熔时效处理后硬度≤41 HRC；屈服强度R l≥1 074
MPa，抗拉强度R ≥ 1 373 MPa，断面收缩率z≥
44 ，伸长率A≥ 24．6 ，一46 。C 的低温冲
击功≥49 J。
1．2 套管悬挂器抗内压的理论计算
206．4 mm(8 英寸)套管悬挂器参照圆筒形壳
体进行强度校核。先按ASME压力容器规范校核
悬挂器在105 MPa的额定工作压力下需要的理论
璧厚。
按ASME压力容器规范的规定，设计许用应力
按式(1)计算：
9 C
ST一0．83Sy，S 一—ge oy (1)
O
式中：Sr为试验压力下的最大许用主膜应力；S 为
材料规定的最低屈服强度；S 为额定工作压力下的
设计应力。
设计采用725HS镍基合金材料，其最低屈服
强度R 一1 074 MPa，最低抗拉强度R 一1 373
MPa，根据设计要求，取材料的最低屈服强度
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压力容器规范中圆筒形壳
体璧厚校核的计算公式：
(2)
式中：t为壳体的最小需要厚度，即悬挂器上部最薄
处璧厚为16 mm；R为壳体内半径，即悬挂器的最
小直径o174．4 mnl处的半径为87．2 mm；P为设计
内压力，即额定工作压力105 MPa；S为在设计温度
时用于封头计算的许用应力，即S 一716 MPa。
套管悬挂器内径O174．4 mm、外径0206．4
mm，壁厚为16 mm，即为最薄弱处。在内压105
MPa时，此处最容易产生变形，故对此处进行强度
校核。
将以上数据代人，校核悬挂器在105 MPa内压
所需要的壁厚：
。 一 S 0 5 一 16 0 5 105 _ 13．80 mm (3)
一
． 声7 ～ ． × ⋯ ～
悬挂器的实际壁厚为16 mm，大于计算壁厚
13．80 mm，满足设计要求。
校核抗内压强度。已知套管悬挂器实际璧厚
￡一16 mm，725HS镍基合金材料的许用应力S 为
716 MPa，假设悬挂器为压力容器的壳体，其壳体内
半径R一87．2 mm，经校核，该璧厚条件下能够承受
的内压力：
第43卷第2期 杨贽达，等：套管悬挂器抗内压结构安全性分析
p， 一 R+ 0 5t 一 87 2 0 5 16 - 120．336 M Pa
． ． + ． × ‘ ⋯ “
(4)
因此，206．4 mm(8 英寸)的套管悬挂器，在璧
厚为16 mm，材料为725HS镍基合金时，其抗内压
为120．336 MPa，可以满足现场的使用要求(试验压
力105 MPa)。
1．3 套管悬挂器螺纹的有限元分析
针对套管悬挂器螺纹问题，国内外学者主要通
过有限元分析和试验相结合的方法对螺纹连接部位
的应力进行研究[2]。由于螺纹接触分析涉及到材
料、几何的非线性，要求得数学上的解析解是非常困
难_3]，因此本文以206．4 mm(8 英寸)套管悬挂器
螺纹为例，使用Abaqus隐式算法进行螺纹的有限
元分析。
弹塑性接触问题的基本方程：
[K(“)]{U}一{P)+{R(11)) (5)
式中：[K(11)]为系统的刚度矩阵，在非线性系统中
是位移向量f }的函数；{ )为节点位移向量；(P)为
整体载荷矩阵；{R(11))为整体接触力向量，是接触
点相对位移的函数。
对于非线性接触方程存在接触状态迭代和塑性
修正迭代两种迭代求解过程。求解时先用Newton
迭代法解式(5)外层循环，再利用式(5)中嵌套的内
层循环解出R(“)l4]。
令式(5)中f(u )一{p)+{R(U ’))则Newton
迭代法的求解过程可表述为：
{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 为节点位移向量；Au 为节点位移向量增
量；FK (“ )]为系统切线刚度矩阵或初始切线刚
度矩阵；{ (1l ))为系统不平衡力向量；{盯 ’)为应
力向量；EBI为应变矩阵。
利用有限元混合法求解式(5)中的{R( )}，
最终可得到如下方程：
L[l Q 0] ll△l J}> 一 {l △F ” J > (㈤ )
R 一ΣAR (10)
式中：IF]为系统内力的挠度矩阵；IF ]为位移变换
矩阵； 为由外载荷在接触节点上产生的相对位
移；8H(n-”为当前一对接触节点间距向量；[Q]为接触
内力变换矩阵；△ll 为附加在刚体位移约束自由度
上的位移增量向量；△F 为外载荷增量引起的合力
增量。
1．4 套管悬挂器螺纹材料的力学分析
根据套管悬挂器和套管的结构特点，为了简化
模型而做如下假设：
1) 材料为各向同性均匀的弹性体。
2) 忽略残余应力的影响。
3) 忽略套管悬挂器及套管的椭圆度、壁厚不
均匀度的影响；将套管悬挂器和套管简化，忽略套管
挂体及套管筒体对螺纹强度影响不大的几何特征
部分。
套管悬挂器螺纹所使用的材料为725HS镍基
合金，为各向同性弹塑性材料，弹性模量为2．O5×
10 MPa，泊松比为0．3，材料的应力一应变关系如图
1。当真实应力超过955 MPa时材料进入理想塑性
状态。
日
崔
b
蜮
图1 材料的真实应力一应变曲线
当套管悬挂器接头螺纹的Von Mises应力超
过材料的屈服极限时，螺纹在相应工作载荷下进入
塑性状态。Von Mises屈服准则 可表述为：
一√专[( 一 z)。+( z一巩) +( 一口 ) ]
(11)
式中： 为Mises应力，MPa； 1、 2、 为主应
力，MPa。
2 有限元计算结果
通过Abaqus隐式求解器求解，可得到套管悬
挂器螺纹在试压105 MPa工作载荷下的受力及应
力情况。图2为送人工具与悬挂器装配图。在下放
套管时，套管悬挂器与套管通过螺纹连接为整体，利
用套管悬挂器的下放工具将其从平台上下放至井
口内[ 。

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