理论与试验研究结果表明，采气生产过程中，高速天然气流将诱发管柱振动。天然气相态的改变、产量的波动及开关井作业是重要的诱因;管柱截面积变化、结构形式变化会导致气体流动压力与速度的变化，加剧管柱的振动一方面振动会引起管柱疲劳破坏；另一方面振动会影响螺纹接头连接强度和密封性能。为了给采气管柱疲劳寿命分析和完整性分析提供依据，笔者将考虑管柱自重及内、外压沿深度的线性变化，用ANSYS有限元软件分析振动采气管柱的应力强度。
      从空间上看，采气管柱是一个内空的细长杆，用有限元分析对管柱进行离散化处理，再用拉格朗日方程可以得到采气管柱动力学运动微分方程，图为算例井的井身与管柱结构示意图。88.9 mmx6.45 mm的P110油管下入5500 m深的井中，封隔器位于井下5000 m处，环空完井液密度为1.3 g/cm3。取管材的弹性模量206 GPa，泊松比0.3，密度7800 kg/m3，重力加速度9.8m/s2。设采气时井口管内压力为55 MPa，天然气密度为0.3。考虑到油管为回转体结构，采用二维轴对称模型进行建模。采用ANSYS有限元分析软件中的4节点平面单元Plane42进行分析，其中参数凡属性设置为axisymmetrie。采用映射方式进行网格划分，沿管柱长度划分500份，沿壁厚划分3份。如图所示，划分网格后，通过ANSYS的轴对称扩展功能可看到二维平面与三维实体分析是等价的。考虑到井口油管挂和封隔器的限位与固定作用，井口与封隔器处为固定约束，而封隔器下端管柱为自由悬挂。
      以上建立了采气管柱的振动微分方程，划分了算例井的有限元网格，下面将考虑管柱自重及内、外压力随井深的变化，进行振动采气管柱应力强度分析。如图所示，设P为油管内压，P为油管外压。不考虑天然气相态及密度沿井深的变化，内、外压沿深度线性变化。线性变化的斜率与流体密度的关系。ANSYS默认施加的载荷为均匀载荷，要施加随深度线性变化的载荷，需通过SF-GRAD命令指定倾斜率。    ANSYS通过引入惯性力的方式引入自重。由于ANSYS默认的对称轴是Y方向，应施加Y向的加速度。由于重力沿Y轴负方向，考虑惯性力与加速度的方向相反，施加的加速度应沿Y轴正向。图为考虑管柱自重及内、外压沿深度线性变化作用下管体的受力图。
      通过对加速度及倾斜度赋相应的数值，引入了管柱内、外压沿深度线性变化及自重的影响，通过ANSYS中*get命令可获得最大应力节点编号为508，坐标为(38，-10000)，即位于井下10 m管柱内壁处。由此可得出如下结论：考虑内、外压深度线性变化及自重的影响，在井口处油管内壁所受应力最大。将最大应力(446.981 MPa)与P110材质的屈服强度(758 MPa)相比，得到管柱最小应力强度安全系数为1.69。为了确定应力沿管柱横截面的分布规律，对采气管柱二维模型进行局部放大，如图所示。由图可知，管柱内壁所受应力大于外壁所受应力。
      在任意给定的时间点，采气管柱动力学方程可以看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。考虑内、外压沿深度的变化及管柱自重等因素影响，综合分析了某一时刻采气管柱的应力强度，得到如下结论：(1)从空间上看，采气管柱是一个内空的细长杆，用有限元法对采气管柱进行离散化处理，再用拉格朗日方程可以得到采气管柱动力学运动微分方程。(2)综合考虑内外压沿深度的变化及管柱自重的影响，采用 ANSYS中轴对称单元Plane42建立采气管柱有限元模型，进行振动采气管柱的应力强度分析是一种有效的方法。    (3)振动采气管柱应力强度分析结果表明，井口处采气管柱应力最大，是应力危险点；振动载荷作用下，管柱内壁所受应力大于外壁所受应力。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！