(辽河油田 钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010)①

动力水龙头通过与小修作业设备结合，代替传统的大修或钻井设备，完成套铣、磨铣、钻塞、切割、倒扣、开窗侧钻等作业[1-3]，降低了作业成本。修井动力水龙头具有结构紧凑、受作业场地限制少及运输方便等优点，国内外对动力水龙头装置的需求量也越来越大。

国内一些学者对动力水龙头的强度[4-7]和疲劳[8-9]进行了仿真分析研究。在疲劳分析过程中，直接采用额定载荷作为边界条件进行分析，并未考虑动力水龙头的实际工况，导致设计过于保守，材料浪费严重；在确定材料疲劳性能时，直接采用实际试验数据，未按照API 8C标准[10]推荐的设计规范进行修正。

本文依据API SPEC 8C《钻井和采油提升设备规范》和欧洲机械搬运协会FEM1.001《起重设备设计规范》，结合动力水龙头实际工况和有限元分析特点，提出一种满足标准要求的动力水龙头疲劳有限元分析方法。

1 疲劳分析方法

小修作业设备将作业管柱下入到准备作业位置后，安装动力水龙头进行作业；作业完毕，拆卸动力水龙头，起出作业管柱。动力水龙头承受载荷为作业过程中井下管柱重力和作业力，最大不能超过动力水龙头的额定载荷。在强度分析时采用额定载荷进行分析，但在疲劳分析时，应考虑动力水龙头实际工作状况进行分析。

动力水龙头在服役过程中承受的载荷为变载荷。假设动力水龙头在各应力下的疲劳损伤独立进行，且总损伤可线性累加，依据Palmgren-Miner理论确定疲劳寿命。将动力水龙头在服役过程中承受载荷划分为m个区段(区段划分越细越接近实际)，假设在第i个载荷区段Pi，预期服役工作比例为ki，达到疲劳破坏的循环次数为Ni，则动力水龙头设计寿命N为：

2 材料疲劳性能确定

材料的疲劳性能数据可通过试样试验确定。针对碳钢材料，当缺乏材料疲劳极限数据时，可根据材料轴向拉伸性能数据，采用经验公式[11]进行计算。

σbw=0.5σs

(2)

式中：σbw为材料疲劳极限强度，MPa；σs为材料屈服强度，MPa。

对于高周疲劳，在设计过程中，应根据实际工况对材料疲劳极限强度进行修正。影响材料疲劳性能的因素包括5个方面。

1) 应力集中。在零件几何形状突变处，会出现应力集中。疲劳设计采用理论计算时，应考虑应力集中影响；但采用有限元分析时，因分析过程已考虑应力集中，可取应力集中系数ks为1。

2) 零件尺寸。材料性能试验通常采用的试样尺寸为6～10 mm，而设计零件的尺寸一般与试样有较大差别，引入尺寸系数kd修正该影响。

3) 表面条件。材料性能试验的试样表面经过磨光，而实际零件表面加工各不相同，粗糙表面会导致疲劳强度降低，引入表面加工系数ku进行修正。

4) 腐蚀状态。零件工作环境的腐蚀性对疲劳极限也存在影响，引入腐蚀系数kc进行修正。

5) 载荷变化。载荷谱对零件疲劳极限具有重要影响，应根据载荷应力比r对材料疲劳极限进行修正。

式中：σd为材料修正后疲劳极限强度，MPa；ks为应力集中系数，有限元分析时取1；kd为尺寸系数；ku为表面加工系数；kc为腐蚀系数；r为载荷应力比。

结合材料S-N曲线(如图1)，可以得到修正后材料疲劳性能曲线。

图1 材料S-N曲线

当8×103≤nk≤2×106时：

当2×106≤nk≤1×107时：

其中：

3 实例分析

以动力水龙头的提环为例，采用上述分析方法对疲劳寿命进行有限元分析。提环上端与小修设备吊卡连接，下端通过销轴与水龙头箱体相连，承受水龙头重力、作业管柱重力及处理井下事故的作业载荷综合作用。根据现场使用情况，设定动力水龙头每次使用周期为5 min、每天工作20 h、每年工作150 d、设计寿命为20 a，则动力水龙头服役周期的工作总次数为7.2×105，属于高周疲劳。

1) 材料力学性能。提环材质为35CrMoA，其力学性能如表1。

表1 35CrMoA力学性能

取应力集中系数ks为1、尺寸系数kd为1.65、表面加工系数ku为1.2、腐蚀系数kc为1、载荷应力比r为0，则提环材料的疲劳寿命曲线如图2。

图2 提环疲劳寿命曲线

2) 网格划分。采用Solidworks软件，建立提环模型，导入ANSYS，根据提环受力特点，删除对计算结果影响较小的一些细节，简化模型。网格划分共包括19 760个节点、12 121个单元，如图3。

3) 边界条件。动力水龙头设计额定载荷为1 067.6 kN，将动力水龙头在服役过程中承受载荷分为2个区段，设定第1个载荷区段889.6 kN，预期服役工作比例k1为80%；第2个载荷区段1 067.6 kN，预期服役工作比例k2为20%。在模拟分析过程中，忽略自重对分析过程的影响，提环轴销孔下半圆承压表面施加固定约束，提环上面凸台下端面分别施加2个载荷区段的向上载荷889.6 kN和1 067.6 kN。

图3 网格划分

4) 模拟分析。取疲劳强度降低因子为0.9，对提环在2个载荷区段的疲劳寿命进行分析，结果如图4～5。由模拟分析结果可知，提环的最大交变应力在2个载荷区段分别为186.54和223.87 MPa，疲劳寿命值在2个载荷区段均大于1×107，考虑疲劳损伤累加后提环的疲劳寿命大于1×107，大于动力水龙头服役周期工作总次数7.2×105。因此，提环疲劳寿命满足设计要求。

a 交变应力

b 疲劳寿命

a 交变应力

b 疲劳寿命

4 结论

1) 在考虑动力水龙头实际工况的基础上，基于Palmgren-Miner理论，提出一种动力水龙头疲劳有限元分析方法。

2) 依据FEM 1.001规范，在考虑应力集中、零件尺寸、表面条件、腐蚀状态及载荷变化影响的基础上，确定了材料S-N曲线的计算和修正方法。

3) 以提环为研究对象，进行疲劳寿命有限元模拟。分析结果表明，提环疲劳寿命值大于1×107，高于动力水龙头服役周期循环总次数7.2×105，提环疲劳寿命满足设计要求。