压裂设备关键零件有限元分析

孙晓迎+潘咏+李树林

摘 要：压裂设备设计过程中需充分保证强度性能和使用可靠性要求，并尽量降低零件尺寸和重量。利用ANSYS和Comsol Multiphysics软件进行网格划分、应力云图、总位移云图和等效应力云图分析，为压裂设备关键零件的科学设计提供理论依据。

关键词：压裂设备；关键零件；有限元；应力云图

中图分类号：TE357 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0058-02

1 设计要求

石油、天然气在开采过程中经常会用到压裂工艺，尤其是非常规石油和天然气必须通过压裂的工艺方法才能实现稳产或增产。目前的压裂工艺正在向“高压力、大排量、多级压裂、多井次、复合工藝”等方向发展，工作压力可达15000Psi（103.5MPa）以上，这就要求设备必须具有耐高压和高可靠性的特点。因此，需对设备进行科学合理的设计。

2 分析方法和过程

2.1 准备工作

在有限元分析之前需进行准备工作，在Solidworks软件中建立各关键零件的三维实体模型，然后另存为Ansys软件可读取的.X_T格式文件；而Comsol Multiphysics软件直接可以读取Solidworks的建模文件。

2.2 分析方法和过程

利用Ansys软件进行分析时，考虑到阀体材料实际使用过程中应具备较好的塑性、强度及刚度等，根据相关资料可知soild 92号单元有十个节点，每个节点具有三个自由度：x、y和z方向上的位移，并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力。为了更准确地反映在实际工况中的受载情况，选取Soild 92号单元进行仿真分析，零件材料AISI 4130，屈服强度517MPa，最大工作压力103.5Mpa。模型以m为单位进行建模，材料特性杨氏模量设置为E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.33，实际工作过程阀体零件内压为103.5MPa。

2.2.1 关键部件闸阀主要零件下阀盖分析过程及结果

（1）下阀盖实体模型网格划分如图1所示：

（2）下阀盖Displacement vector sum应力云图如图2所示：

由图2可以看出，模型总位移最大为6.480×10-5m。

（3）下阀盖Von Mises strss等效应力云图如图3所示：

通过图3可知，下阀盖最大等效应力值为9.020×108Pa。

2.2.2 压裂球头六通零件分析过程及结果

由于压裂球头六通零件为完全对称零件，分析过程中分别对1/2模型，1/4模型分析，进行对比分析。

（1）对1/2模型分析（如图4～图6）

1/2模型仿真结果：模型最大位移为1.39×10-4m，最大应力值为7.887×108Pa。

（2）对1/4模型分析（如图7～图9）

1/4模型仿真结果：模型最大位移为4.95×10-5m，最大应力值为7.177×108Pa。

对比1/2和1/4模型仿真结果，应力与变形情况相差不大。由此，在一定程度上验证了对对称模型采取等分部分的仿真分析方法的合理性。

2.2.3 关键部件闸阀主要零件阀体分析过程及结果

取1/8阀体模型分析，处理过程及结果如图10～图12：

对阀体模型仿真及有限元分析结果：模型最大位移为7.973×10-5m，最大应力值为6.624×108Pa。

综合以上分析得出，零件关键和主要部位的受力和变形情况均在允许范围内。

3 结束语

通过对关键零件的三维模型进行网格划分，然后结合使用工况，对仿真模型进行有限元分析，并查明所承受应力和变形位移情况，分析确认选材和零件尺寸设计的合理性，对设备的科学、准确设计具有重要帮助。

参考文献：

[1]周迪.2800型压裂泵动力端结构优化设计[D].长江大学，2016.

[2]李向龙，芮执元，雷春丽，等.压裂泵连杆疲劳强度分析[J].机械制造，2014（12）.endprint