摘 要

现如今陆地石油资源短缺，石油开采纷纷向深海方向发展。面对海底工作环境普通的井口设备也不能满足需要的强度要求。本文根据4000m水深下井口设备闸板防喷器的需求，参考美国成熟设计CameronTL Offshore ram-type BOP设计闸板防喷器的结构尺寸，几何具体工作状态及规范要求分成两种工况；在每个工况下设置闸板壳体的边界条件和载荷情况，通过应用Femap有限元软件来进行有限元分析。

本文是基于有限元的闸板防喷器主壳体结构设计及强度分析，论文主要根据ASME钻通设备规范，通过有限元软件的分析，然后根据分析结构得到主壳体的应力云图。最后根据校核结果提出优化方案。

本文不仅仅是对壳体做了相应的有限元强度分析，得到的分析结果对后者更进一步优化提供了明确的方向。

关键词：闸板防喷器；壳体；结构设计；强度校核；优化设计

Abstract

Now that there is a shortage of land-based oil resources, oil exploration has developed toward the deep sea. Ordinary wellhead equipment that faces the subsea working environment cannot meet the required strength requirements. Based on the requirements of wellhead blowout preventers for wellhead equipment at a depth of 4000m, this paper refers to the United States mature design Cameron TL Offshore ram-type BOP to design the structure of the blowout preventer. The geometric working conditions and specification requirements are divided into two working conditions; The boundary conditions and load conditions of the ram shell were set under each working condition, and finite element analysis was performed by applying Femap finite element software.

This paper is based on the finite element of the main structure of the ram plate BOP main body design and strength analysis, this paper is mainly based on the ASME drilling equipment specifications, through the analysis of the finite element software, and then based on the analysis of the structure to get the main housing stress cloud map. Finally, based on the check results, an optimization plan is proposed.

This paper not only does the corresponding finite element strength analysis of the shell, but also provides a clear direction for the latter to further optimize.

Keywords: BOP; Structural design; Strength check; Optimization

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 闸板BOP简介 1

1.3研究闸板BOP主壳体的目的与意义 2

1.4国内外发展现状 2

1.4.1国内发展现状 2

1.4.2国外发展现状 3

1.5本文要做的工作 4

第二章 有限元设计介绍 5

2.1有限元方法介绍 5

2.2 Femap软件介绍 5

第三章 闸板BOP主壳体结构设计 7

3.1技术参数 7

3.2材料的选取 10

3.2.1 承压件 pressure-containing part 10

3.2.2 材料选型 10

3.3约束条件 12

3.3.1对称约束 12

3.3.2固定约束 12

3.4载荷情况 14

3.4.1钻井腔内压力 14

3.4.2侧门螺栓拉力 16

3.4.3外界海水静压 17

3.4.4 Kill Line 拉力 18

3.4.5顶部拉力 19

3.4.6油压 20

3.5网格划分 21

3.5.1钻井壳体网格划分 21

3.5.2关井壳体网格划分 23

第四章 应力分析及校核 25

4.1ASME BPVC Section VIII Division 2规范校核介绍 25

4.1.1规范规定 25

4.1.2应力分类 25

4.2壳体额定工况 27

4.2.1钻井模型应力云图 27

4.2.2应力线性化及校核 27

4.3壳体试验压力工况 28

4.3.1试验压力工况下应力云图 28

4.3.2应力线性化及校核 29

4.4关井壳体额定工况 29

4.4.1关井壳体应力云图 29

4.4.2应力线性化及校核 30

4.5关井壳体试验压力工况 31

4.5.1试验压力工况下关井壳体应力云图 31

4.5.2应力线性化及校核 31

第五章 设计优化及结论 33

5.1优化方案 33

5.2优化结果 33

5.3优化意义 35

5.4结论及展望 35

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1引言

在地层中有很多很多的不确定因素，并且还十分的复杂，当钻井平台在钻井工作的时候，随时都有可能发生井喷、井涌，这也就对井口的设备有了更高的要求。闸板防喷器（下文中均称为BOP）作为最重要的井控设备，在钻井平台的钻井工作一旦发生溢流、井涌、井喷等紧急状况时，闸板BOP可以迅速工作，启动、关闭井口；但如果此时闸板BOP一旦失效、崩溃，将会导致油气喷出等恶性事故，污染环境。因此，设计优良的闸板BOP对于保证钻井作业顺利进行和人身安全具有十分重大作用和深远意义。在海底钻井的时候就更加的重要了，一旦发生井喷事件，处理的不够及时整片海域的生态环境就受到了破坏，更有甚者危害人类生命。

在深水海底钻井各个作业过程中为了能够及时关闭井口使用闸板BOP，为了扼制井喷、井涌等事故发生，具有结构简单，容易操作，可以承受高压等特点，是在海底钻井工作必不可少的井口装置。

闸板BOP的有效工作能够及时的解决井喷、井涌事件。2010年4月20号深水地平线钻井平台在海上进行钻井工作的时候发生井喷并且爆炸！爆炸一经发生钻井油台立即焚烧起来，经过了36个小时以后才沉没；该事件导致11名工作人员死亡及17人受伤。其中有达到56万吨的原油流入墨西哥湾，这是公认的工业史上最大的石油泄漏事件。所以在钻井工作中对井口装置设备要求极高，一旦发生危险油气泄露事件处理不及时将会造成很严重的恶果。

1.2 闸板BOP简介

在钻井的各个不同作业过程中为了能够及时关闭井口安装了闸板BOP，是为了能够及时防止油气泄露事故发生，闸板BOP将全封和半封两种功能合为一体，具有结构简单，容易操作，可以承受高压等特点，是钻井工作中常用的防止井喷的安全密封井口装置。

BOP是控制井口压力设备中的重要核心设备，是为了保证钻井工作顺利的进行，进而保障钻井速度及钻井的质量。在钻井作业中，一切危险的情况都有可能发生，而一旦发生了十分紧急情况则就有可能出现石油溢出、井涌、井喷等危险状况，此时相应的操作人员应立即发出关井指令，BOP必须迅速启动使用闸板来关闭井口。如果此时BOP失效、崩溃不工作了，将会导致井喷、井涌，如果无法遏制住井喷、井涌，则会进一步的发生恶性事故，轻则造成井口设备、钻井设备损坏，重则造成油井报废、设备烧毁、人员伤亡。因此，作为井控装置的关键部件，在作业过程中起着控制井口压力的重大作用^[1]。

因此，对井口BOP来说，尤其是高压BOP，BOP的安全性能就显得特别重要。闸板BOP按壳体内闸板的数量可分为：单闸板BOP、双闸板BOP和三闸板BOP。在国内使用最多的是单、双闸板BOP^[2]。

1.3研究闸板BOP主壳体的目的与意义

闸板BOP壳体形状较为复杂，主壳体几何尺寸变化较大。在载荷作用下的应力分布情况和最大应力的位置对分析结构的安全性非常重要，同时，设计合理的主壳体形状和尺寸、特别对于高压BOP来说是很重要的。在井口溢流情况下，使用闸板BOP进行关井操作，尤其是现在钻井作业中逐渐采用的硬关井工艺，将使闸板BOP的主壳体会受到喷溅的高压油气产生的极强冲击压力。主壳体是闸板BOP中承压的关键部件，在高压冲击载荷的作用下主壳体的局部区域是很有可能出现应力集中，迅速关闭井口时产生的高压水冲击波也会在衰减过程中反复冲击壳体，使壳体出现疲劳裂纹，甚至发生脆性断裂的现象^[3-4]。因此，主壳体对BOP的使用寿命、承载能力以及安全性能评价具有决定性表征作用。

因此，主壳体对于闸板BOP的使用寿命、承载能力以及安全性能评价具有决定性作用。BOP主壳体形状比较复杂，在载荷作用下的应力分布情况及最大应力位置对分析结构的安全性也是非常至关重要。

1.4国内外发展现状

1.4.1国内发展现状

国内许多研究人员对闸板BOP主壳体受力分析已经做了大量理论计算分析和基于有限元的计算分析的研究工作，并归纳得出了闸板BOP出现应力集中的区域可能为：主壳体垂直通孔与闸板腔室两个孔的相贯处；部分型号的BOP应力集中区也出现在闸板腔室孔的圆弧中部区域，其中上圆弧中部出现最大等效应力；螺栓孔位置处和垂直腔室通孔上端面也会有应力集中区域^[5-6]。

在西南石油大学的唐洋等人的发表的闸板BOP壳体应力分布试验测试与分析^[7]在一文中，表述了在前人理论计算分析和有限元计算分析结果的基础上，对闸板BOP壳体分别进行额定工况和静水试验压力两种情况下的受力试验与有限元仿真分析。其中应力集中的区域主要分布在壳体垂直腔室通孔与闸板腔室孔相贯处 (主要是内腔室相贯处) 以及主壳体相对较薄的部位 (如法兰颈部、侧门腔体上、下边缘附近) 。

在晏祥慧等多位作者文章——双闸板BOP壳体非线性有限元分析^[8]一文中先是根据闸板BOP产品设计图纸对双闸板BOP进行了三维模型的建立，然后再进行了非线性情况下的有限元分析；从而得出了双闸板BOP壳体的最大应力位置发生在长方形孔的棱边；然而法兰及壳体外侧的应力相对来说较小；当螺栓孔或者其他主壳体的小孔不在关键位置时，局部存在的小孔对整体最大应力的影响非常小；当局部的小孔位置出现在最大应力附近时，由于小孔处的压力会被转移到出口的附近。因此，局部的小孔会使内部的等效应力有所下降。

单闸板BOP主壳体的有限元分析及结构优化^[9]一文是杨长青、王琨琦对单闸板BOP进行几何模型的建模，然后考虑建模功能十分强大的Pro/E进行建模。紧接着对几何壳体模型进行了修改。在有限元分析过后通过计算得到的分析结果比较发现：最大等效应力出现了偏移，从位移云图中可以清楚的看到薄弱环节存在。

在徐增永的双闸板BOP壳体三维有限元法应力分析概述^[10]一文中将设计计算几何模型看做六面体，有三个表面为主壳体的外表面，是自由的边界。另外三个表而在相应的方向上均有约束。

从计算结果中可以看出，以三维空间实体单元和其他多种其它单元组合而成的力学有限元模型，能相对较精确地逼近分析对象——主壳体的几何形状和载荷情况，从而能得到比较详尽而准确的关于主壳体变形和等效应力的大小和分布情况。与其他各种简化的计算模型具有更高的精度、通用性和灵活性。这对BOP主壳体以及厚壁高压容器的结构设计、计算研究和改进建议，都有重要的意义。

在现如今，出现在我国闸板BOP的发展方向大致可分为以下三类^[11]：

（1）研制能够承受超高压大通径防喷嚣组

（2）加强主壳体新材料的研究

（3）BOP制造及自动化检测技术水平的提高

（4）实现油田现有的手动锁紧装置的液动改造

1.4.2国外发展现状

2008年，JAMES I.LIVINGSTONE在美国申请的一个关于井下BOP专利(20080289878A1)^[12]。该设计井下BOP用在与钻柱同心的连续油管的反循环钻井作业中。专利中描述的的井下BOP包括两部分，一部分是内部通道中的内管，另一部分也就是能够与井壁形成环形空间的部分，内部通道和井下的BOP环形通道是油气在壳体内部循环流动的通道，分别是与钻杆或同心油管相互对应^[20]。

在公司Hydril研制的Quik-Loq*BOP^[18]，该设计BOP的特点是：闸板芯是执行机构总成上设计了一个滑动旋转装置，使闸板芯的总成执行机构可通过手动旋转到0～360°之间任何位置上，旋转的支点是位于有无闸板时的重心上。当执行机构总成按要求旋转或旋转90°到棘爪位置时候，更换闸板更加安全、简单和快捷；还有节片式的椭圆形锁紧环和处理执行机构总成，可远程控制BOP的侧门解锁和锁紧动作。此装置可用于陆地和深海海底的钻井工作中。现有闸板BOP的通径为346和476mm，额定的工作压力均为15000psi两种规格的BOP^[20]。

在1990年代中期Shaffer公司成功研发制造出了无侧门连接螺钉的闸板BOP（NXT BOP）^[11]，该设计使更换一副闸板时间降低到了30min。在2004年，该公司又成功的研发出自动闸板心子更换器(ARC*)系统，该系统中有一个闸板心子更换臂，可以从一个方便的闸板储存库中迅速准确地取出和更换BOP闸板。此系统应用在NXTBOP上 ，完成闸板的更换只需要两个人就可以了，并且更换闸板时间只需要36min^[20]。

Cameron公司设计的大井眼剪切阀帽用来代替常规阀帽进行剪切操作^[20]。剪切阀帽比常规油缸的容积要大35%甚至更多，可产生比常规油缸高出35%的关井压力，能够满足大型BOP剪切力的要求 。然而11″（105MPa）、13-5/8″（105MPa）和16-3/4″7（0MPa）三种U型闸板BOP不需要大井眼剪切阀帽，其自身阀帽即可达到需要的剪切力要求^[11]。

美国的专利——钻柱内井下BOP(3941190)^[13]，安装在钻柱上尽可能接近到钻头的位置，是一种位于钻柱井下BOP。在地层下面出现异常危险情况的时候或钻具内泥浆压力出现异常的情况的时候，该井下BOP的胶筒立即充满液体膨胀，与钻井井壁形成良好的密封，将危险的海底层隔离。该井下BOP设计有一个压力腔，上下与钻具相通的通道能够提供足够的使钻井泥浆自由通过的空间。在压力腔内设有单向阀门，在泥泵压力作用下，不允许存在反向流动的液体通过，当该单向阀还没有关闭的时候，钻井液可以在钻具内正常循环^[20]。与此同时，还存在一种声波驱动井下BOP^[14]。对BOP 研究提供了不一样的启迪。

1.5本文要做的工作

依据《ASME 锅炉及压力容器规范Ⅷ-2卷 压力容器建造另一规则 (2015)》《API-16A》和《API-SPEC-6A》三个主要规范，开展单闸板BOP主壳体的结构选型，确定结构尺寸，完成结构设计图纸；再运用有限元软件Femap软件建立有限元分析模型，进行结构应力分析；最后，根据规范校核结构应力得到应力分析结果，并根据结果提出优化方案。

第二章 有限元设计介绍

2.1有限元方法介绍

有限元分析（FEA）通过使用有限元方法分析静态或动态物理对象或物理系统。在这种方法中，一个对象或系统被分解成一个几何对象模型，它由许多相互关联的简单独立点组成。这种分析方法中这些独立点的数量是有限的，因此称为有限元。在每个点使用由实际物理几何模型导出的平衡方程，从而得到均衡的方程组。这组方程可以用我们已知的线性代数方法求解。有限元分析的精度不能无限增加。当单元数量达到一定高度时，解决方案的精度不再增加，只有计算时间增加。也就是说，网格数量的收敛分析过程如下所述，不包括由于网格数量不足导致的有限元精度的不准确性。

在使用有限元软件进行有限元分析的过程中，通过建立简单的FEA模型，在根据不同的软件情况来进行相应的分析，比如在本文中即将使用的Femap有限元软件中，通过建立简单的几何模型，然后根据模型在实际工作中所受的载荷和约束情况，具体将工作状况分成不同的Loading Case，在不同的Loading Case下施加不同的约束和载荷，然后再进行有限元网格的划分，其中就要用到有限元网格无关解的分析，确定网格数目，确定求解精度；最后再进行有限元分析，得到的就是各个Loading Case下的应力云图、位移云图等等。

有限元方法不仅仅应用在工程学术中，在我们学生的日常学习工作中也是至关重要的，本文对闸板防喷器的分析是基于有限元方法的。在现如今的有限元知识的基础上通过某个有限元软件强大的计算求解器来求解模型的各个Loading Case下的应力分布和位移大小。总的来说有限元分析的在现在的工程学术中越来越普及不是没有道理的，往后的工程工作中有限元只会是越来越重要，在不同领域、不同行业都是担任着十分重要的角色，所以掌握有限元软件的使用就显得十分重要了。

2.2 Femap软件介绍

Femap基于Parasolid，拥有近20年的专注于有限元建模领域的工程经验。 它可以帮助用户简化复杂物理结构模型的建模。 其基于Windows的功能为用户提供了一个非常强大的功能，并且更易于学习和使用！ Femap产品广泛应用于各种工程产品系统和制造过程中，如卫星，飞机，重型起重机，高真空密封器等。 Femap提供先进的功能，例如先进的光束建模，中平面提取，六面体网格划分，卓越的CAD输入以及简化的工具。

Femap包含两部分，一部分作为前部和后部处理器的Femap，另一部分作为解算器的NX Nastran。 Femap具有兼容性好，应用广泛等特点。 NX Nastran也是CAE求解器技术的事实标准，并且是全球航空，航空航天，汽车，造船和其他行业大多数客户批准的求解器。

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