Опыт применения программного обеспечения ANSYS, Inc. для оптимизации корпусов превенторов

Ксения Сызранцева
К.т.н., доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», Институт кибернетики, информатики и связи, кафедра кибернетических систем
Анатолий Белобородов
К.т.н., ведущий инженер-конструктор, Специальное конструкторское бюро, ООО «ТюменНИИгипрогаз»
Александр Комаров
Ведущий инженер технической поддержки отдела инженерного анализа, группа компаний «Делкам-Урал»—«ПЛМ Урал»

В настоящее время обязательным условием бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин является установка и использование превенторов. Превенторы предназначены для герметизации устья нефтяных и газовых скважин с целью предотвращения нефтегазоводопроявлений при выполнении текущего или капитального ремонта скважин, а также при проведении перфорационных, взрывных и других геофизических работ на скважинах (рис. 1). Превенторы обеспечивают безопасное ведение работ, предупреждение выбросов и открытых фонтанов, охрану недр и окружающей среды в соответствии с требованиями ГОСТ 13862­90 «Оборудование противовыбросовое», ГОСТ12.2.115­86 «Оборудование противовыбросовое. Требования безопасности» и ПБ 08­624­03 «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности».

Рис. 1. Общий вид превентора ППШР-2ФТ-152х21 ЗАО НПП «Сибтехноцентр»

Поскольку эксплуатация превенторов напрямую связана с безопасностью, а сами превенторы эксплуатируются в сложных условиях (высокое давление, перепады температур и т.д.), то конструкторские просчеты и ошибки при их проектировании имеют серьезные последствия.

По просьбе ЗАО НПП «Сибтехноцентр» Тюменским государственным нефтегазовым университетом при поддержке ООО «Делкам­Урал» были выполнены работы, демонстрирующие преимущества от применения программного обеспечения ANSYS, Inc. в процессе проектирования превенторов, в частности их корпусных деталей.

Первой задачей, решенной с использованием программного обеспечения ANSYS, Inc., стало моделирование процесса гидравлических испытаний корпуса выпускаемого превентора ППШР­2ФТ­152х21 [1] с целью верификации получаемых результатов с результатами натурных испытаний.

Задача по моделированию процесса гидравлических испытаний корпуса решалась в двойной нелинейной постановке: с учетом геометрических (контактные взаимодействия между корпусом превентора, крышками и испытательным стендом) и физических (нелинейный закон деформирования материала) нелинейностей, при нагружении пробным давлением 42 МПа. Поскольку пропорциональный закон деформирования для металлов характерен только до предела пропорциональности, а материал корпуса превентора при гидравлических испытаниях испытывает деформации, существенно его превышающие (материал подвергается пластическому деформированию), то была использована упругопластическая модель материала с мультилинейным законом деформирования, аппроксимирующим реальную кривую деформирования металла при помощи кусочно­линейной функции.

Результаты расчетов корпуса превентора ППШР­2ФТ­152х21 с применением программного обеспечения ANSYS, Inc. имели высокую степень соответствия с результатами, полученными во время испытаний корпусов на стенде ЗАО НПП «Сибтехноцетр»: отклонения поверхности фланцев по показаниям датчиков перемещений составили порядка 3 мм, что хорошо согласуется с картиной распределения суммарных перемещений (рис. 2) [2].

Рис. 2. Распределение суммарных перемещений в корпусе превентора ППШР-2ФТ-152х21 при моделировании гидравлических испытаний, мм

Следующей решаемой задачей стало моделирование процесса гидравлических испытаний корпуса проектируемого превентора ППГ­230х35 с учетом опыта, полученного при решении пре­дыдущей задачи. Первоначально предполагалось использовать для данного превентора литой корпус из стали 30ХМЛ [3].

Выбранная на основе программы и методики испытаний корпусов и конфигурации испытательного стенда расчетная схема, которая применялась для выполнения моделирования процесса гидравлических испытаний в ANSYS, представлена на рис. 3 [3]. Конечно­элементные модели корпуса и испытательного стенда строились на основе импортированных в ANSYS геометрических моделей, выполненных конструкторами в CAD­системах, что позволило заметно упростить процесс создания моделей. Поскольку геометрическая модель корпуса обладала сложной пространственной формой, являлась толстостенной и интерес представляло, в том числе, распределение напряжений и деформаций по толщине стенок корпуса, конечно­элементная модель строилась с использованием трехмерного элемента сплошной среды Solid92.

Рис. 3. Расчетная схема, моделирующая процесс испытаний корпуса превентора ППГ-230х35

Для моделирования контактных взаимодействий между крышками и корпусом, а также между крышками и крепежом применялись пары элементов Targe170 — Conta174, моделирующие деформируемо­деформируемый контакт с учетом трения. Для моделирования испытаний исследуемого корпуса было создано семь групп контактных взаимодействий. Для построения конечно­элементных моделей испытательного стенда и крепежных деталей использовались грани элемента большой длины, поскольку распределение напряжений в этих деталях не представляет непосредственного интереса,  а необходимо лишь оценить их влияние на жесткость корпуса превентора.

На рис. 4 представлены конеч­но­элементные модели корпуса и испытательного стенда [3].

Рис. 4. Конечно-элементные модели для моделирования процесса гидравлических испытаний с учетом условий симметрии

На первом шаге нагружения моделировался случай испытания корпуса рабочим давлением 35 МПа. На рис. 5 показаны поля распределений эквивалентных напряжений по энергетической теории прочности (фон Мизеса) во всех применяемых в процессе моделирования моделях. Верхним пределом полей распределения является предел текучести стали 30ХМЛ σ0,2 = 285 МПа. Зоны локализации эквивалентных напряжений, превышающие указанные пределы полей распределения, отмечены серым цветом [3].

Рис. 5. Поля распределения эквивалентных напряжений по Мизесу в моделях корпуса и испытательного приспособления до предела текучести при давлении 35 МПа

Локализация участков, где напряжения превышают предел текучести, на местах сопряжений различных типов поверхностей на внешней поверхности корпуса (рис. 5) не представляет какого­либо существенного интереса, поскольку реальная модель корпуса после отливки проходит механическую обработку, а следовательно, указанной концентрации напряжений не будет. Однако локализация напряжений на внутренних радиусах сопряжений поверхностей говорит о недостаточном усилении этих участков, как это рекомендуется для давлений свыше 6,4 МПа.

На втором шаге нагружения рассматривался случай испытания корпуса пробным давлением 70 МПа. На рис. 6 показаны поля распределений эквивалентных напряжений по энергетической теории прочности (фон Мизеса) во всех используемых моделях [3].

Выполненное компьютерное моделирование процесса гидравлических испытаний корпуса превентора ППГ­230х35 позволило установить его недостаточную прочностную надежность при нагружении пробным давлением 70 МПа, что подтвердило изначальные опасения о недопустимости использования литой конструкции корпуса для превенторов с рабочим давлением 35 МПа.

Рис. 6. Поля распределения эквивалентных напряжений по Мизесу в моделях корпуса и испытательного приспособления до предела текучести при давлении 70 МПа

Впоследствии выполненные на испытательном стенде  ЗАО «НПП «Сибтехноцентр» экспериментальные исследования опытного образца литого корпуса превентора ППГ­230х35 подтвердили полученные в ходе компьютерного моделирования результаты. В дальнейшем для превентора ППГ­230х35 был разработан кованый корпус, находящийся в настоящее время в стадии создания опытного образца.

Таким образом, выполненные работы наглядно продемонстрировали преимущества использования программного обеспечения ANSYS, Inc. в процессе проектирования превенторов, основным из которых является существенное снижение рисков возникновения аварий и инцидентов из­за отсутствия точной информации о прочности наиболее нагруженных деталей.  

Литература

1. ППШР­2ФТ­152х21.001 ПМК. Корпус ППШР­2ФТ­152х21.001 Программа и методика контрольных испытаний.  Тюмень, ЗАО «Научно­производственное предприятие «Сибтехноцентр»,  2009.
2. Сызранцева К.В., Белобородов А.В., Князев Ю.И., Сеньков Е.В. Оценка напряженно­деформированного состояния корпуса превентора в конечно­элементном комплексе ANSYS. Автоматизация и прогрессивные технологии в атомной отрасли: Труды VI межотраслевой научно­технической конференции. Том 1. Новоуральск: Издательство НГТИ, 2009. С. 164­167.
3. Сызранцева К.В., Князев Ю.И., Сеньков Е.В. Компьютерное моделирование процесса гидравлических испытаний корпуса превентора// Вестник Тюменского государственного университета, 2009.  № 6. С. 27­34.

САПР и графика 12`2011