基于有限元分析的井下监测设备结构应力优化研究

石平太 苗杰 高志文 陈露 丛国栋

摘要：针对电潜泵用泵工况下井作业出现的损坏现象，应用有限元分析的方法，对泵工况的外形结构进行应力分析，发现现有结构中的薄弱点，探求对泵工况外形结构的优化手段。

关键词：泵工况;有限元分析;应力优化

0    引言

海洋石油工业和陆地石油工业不同，在开采的过程中，用到的举升设备一般为电潜泵而不是磕头机，电潜泵的使用寿命尤为重要，由于电潜泵使用工况往往为数千米的深井内，平时运行中难以得知电潜泵的实际运行情况。井下监测设备一般有钢丝绳、井底压力计和泵工况三种监测的形式，其中泵工况能同时测得多种数据，且测得数据较为稳定能保证可靠运行。在下入电潜泵的过程中，由于泵工况为电潜泵的最底端，在下入过程中，由于套管壁、油井狗腿度的影响，经常容易发生磕碰，损坏的现象，本文针对电潜泵用泵工况下井作业出现的损坏现象，应用有限元分析的方法，对泵工况的外形结构进行应力分析，发现现有结构中的薄弱点，探求对泵工况外形结构的优化手段。

1    有限元分析

有限元是近年来广泛应用在产品设计验证、结果分析中的技术手段，其将三维模型或待设计的运算对象划分为有限多个小的单元模块，通过计算各个单元模块在应力场、流体场中的受力情况，对结果进行统一拟合，从而获得最接近真实情况的分析模拟计算数据。常用的有限元分析软件有ANSYS、Solidworks等，本文将以Solidworks为例，对泵工况外形结构进行分析。

泵工况外壳往往由套筒和法兰头组成，与机组的固定方式为法兰头上的法兰盘挂装。在油井斜度较大时，受到的力主要为侧向力，故将模型的法兰盘进行固定，模型上加载偏心的侧向力。

由于海洋平台油井的应用环境，泵工况往往采用防腐材质，一般以2Cr13居多。根据材料力学手册，2Cr13的屈服强度为440 MPa，故在Solidworks中建立好产品模型后，在材质选型中，选取Solidworks模型库中最为接近的AISI 4130钢，材质库及相关物理性质如图1所示。

设置相触面组后，根据海洋平台的实际使用情况，在夹具设置中对法兰盘进行紧固，使法兰盘基面及一圈安装孔在分析过程中不会因外力而产生飘移，夹具设置如图2所示。

根据电潜泵机组在井口下入时的实际工况，容易发生套管与泵工况之间的撞击，该情况下受力为侧向受力，故在泵工况下端施加水平力，初步设定为4 000 N。该位置的受力与实际机组下入时的受力情况较为吻合，同时该点与法兰盘紧固点距离较远，产生的力矩也为泵工况产品上最大距离，分析方案较为可靠。外部载荷设置及与紧固点的相对距离如图3所示。

划分网格后进行应力分析，网格划分结果及应力分析结果如图4、图5所示。

2    分析结果及结构优化方案

通过分析结果可以看出，在泵工况上，主要发生应力集中的点为法兰盘盘口下方及套筒侧壁处，因此可采取的结构应力优化手段可以有：

（1）在法兰盘盘口下方增加倒角，消除应力集中;

（2）增厚套筒壁，同时由于NPT接口处应力没有明显的集中现象，可以简化加工工艺，采用直边开槽。

3    结语

针对电潜泵用泵工况下井作业出现的损坏现象，本文应用有限元分析的方法，对泵工况的外形结构进行了应力分析，从而发现了现有结构中的薄弱点，在此基础上对泵工况外形结构的优化手段进行了研究，得到了有效的优化效果。

[参考文献]

[1] 沈韶华.工程力学[M].北京：经济科学出版社，2010.

[2] 张洪伟，高相胜，张庆余.ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[3] 廖谟圣，杨本灵.世界石油设备发展的新特点及机遇与挑战[J].石油矿场机械，2007，36（9）：1-6.

收稿日期：2020-02-20

作者簡介：石平太（1982—），男，甘肃靖远人，工程师，研究方向：动态监测。