ANSYS在石油機械與壓力容器設計中的應用

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

ANSYS在石油機械與壓力容器設計中的應用:

在現代化的石油機械與壓力容器設計產業中,產品的設計愈來愈精細、復雜,市場競爭要求石油機械與壓力容器設備的性能指標大幅度進步,而ANSYS這樣的CAE工具,在很多方面為石油石化企業保持競爭上風提供了強有力的技術保證。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質量認證的大型分析設計類軟件,是美國機械工程師協會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業技術協會認證的標準分析軟件。在國內第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會的認證并在國務院十七個部委推廣使用。

圖1、ANSYS對四通應力分析

近十年來,已經有近百不同版本的ANSYS軟件在壓力容器行業發揮著巨大作用。使ANSYS在壓力容器行業占據了國內95%以上的市場份額,成為壓力容器分析設計的事實上的標準。ANSYS為推動CAE分析設計在該領域的普及做出了卓有成效的工作,為進步我國壓力容器的分析設計水平作出了巨大的貢獻。

承受高溫高壓的壓力容器設計中經常需要進行彈塑性、蠕變、大變形等非線性分析。起停機等變化的工況引起結構的交變應力,疲憊強度亦是容器設計中必須考慮的題目。

對于大型容器的結構,靜強度設計不能完全滿足要求,因而動強度的分析計算能為容器設計所必須的。ANSYS 動力學分析功能可求解結構的非線性時程響應,譜分析可用于結構的地震響應分析。ANSYS 特有的流體單元可解決盛液容器的動力計算,分析盛液容器的模態及地震響應。

圖2 ANSYS 對容器的應力分析

1、抽油機設計

對于抽油機設計中諸如:抽油機總成、支架、游梁曲柄連桿機構、動力裝置以及各個零部件的設計等,ANSYS 都可以發揮出其分析計算上風,使得設計的各部件尺寸合適、性能最佳,達到進步抽油機產品性能,降低生產本錢的目的。

圖3 采用ANSYS 的靜力及屈曲分析功能對游梁式抽油機支架的強度、剛度與穩定性進行分析

2、高壓閥門結構優化設計

ANSYS 程序提供了兩種優化的方法:零階和一階方法。零階方法是一個很完善的處理方法,可以很有效地處理大多數的工程題目。一階方法基于目標函數對設計變量的敏感程度,因此更加適合于精確的優化分析。這兩種方法可以處理盡大多數的優化題目。

對于這兩種方法,ANSYS 程序提供了一系列的分析——評估——修正的循環過程。就是對于初始設計進行分析,對分析結果就設計要求進行評估,然后修正設計。這一循環過程重復進行直到所有的設計要求都滿足為止。除了以上兩種優化方法,ANSYS 程序還提供了一系列的優化工具以進步優化過程的效率。例如,隨機優化分析的迭代次數是可以指定的。隨機計算結果的初始值可以作為優化過程的出發點數值。

油田生產中使用的一種大通徑高壓閥門,其設計通徑達82mm,使用內壓16MPa,為保證安全,根據設計方要求,針對該閥門的設計原型進行了三維有限元強度分析與結構外形優化設計,通過ANSYS 分析使得優化后的閥門最大應力降低達20%。下圖給出ANSYS 計算結果。

圖4 井口高壓閥門應力分析與優化

3、恒流量往復泵凸輪傳動機構凸輪副接觸應力計算

ANSYS 的疲憊與蠕變分析功能能解決常值載荷或常值位移作用下元器件的非線性變形或松弛,確定在周期載荷、隨機載荷以及變化的熱場作用下部件或整體結構的疲憊壽命,程序提供了超彈性、多線性、Anand 模型、粘彈性、超塑性等材料模式。

某型號油田鉆井泵傳動機構的凸輪副曾經一度出現短期損壞,嚴重影響了油田生產,采用ANSYS 仿真分析技術對凸輪傳動機構以及凸輪副的接觸應力進行了分析,并對凸輪副進行相應的外形優化設計,有效地解決了凸輪副短期失效題目。圖5 凸輪副接觸應力。

圖5 凸輪副接觸應力

4、真空過濾器

揚子石化設計的真空過濾器長度為2774mm,最大外經Φ1700mm,過濾器之上分布3570個Φ28mm 的濾孔。結構為薄殼網狀筒形,過濾器在自重、物料重及真空度作用下承受扭矩。為保證過濾器安全,由石油大學采用ANSYS 對過濾器進行變形與剛度分析,為改進設計提供參考依據。分析模塊:結構分析。單元類型:典型薄殼,選擇SHELL93、SHELL63 單元。圖6-6 給出建模與計算結果。

圖6 真空過濾器建模與計算結果

5、同軸式反應-再生器

催化兩器-反應再生器是煉廠關鍵設備之一,近幾年來催化兩器曾發生過多起裂紋引起的失效案例。為了降低兩器設計應力水平,進步安全度,采用ANSYS 的熱分析與結構分析以及耦合模塊,對同軸式反應-再生器的整體結構、封頭、筒體、裙座、封頭、人孔與接管等部位進行了全面溫度場模擬與結構應力分析,并進行了適當結構尺寸改變,達到了減低工作應力的目的。以下給出計算結果。

圖7、ANSYS 同軸式反應-再生器分析結果

6、預處理塔應力及疲憊分析

ANSYS 對預處理塔進行應力與疲憊分析的計算結果見下圖。

圖8 ANSYS 預處理塔應力及疲憊分析

7、換熱器應力分析

ANSYS 對換熱器的管板、封頭、波紋管等部件進行溫度與應力分析,分析結果見下圖。

圖9、ANSYS換熱器應力分析

8、焊接過程殘余應力分析

機械裝備與壓力容器多用焊接結構連接,ANSYS的“單元死活技術”、和“相變分析技術”為焊接過程的模擬提供了完善的解決方案。單元死活技術可以模擬材料的往除與添加過程,隨焊縫中焊料的不斷加進,可不斷激活相應的部分單元,使其參與傳熱承載相變分析可正確地模擬焊料由液相到固相的過程,待計算到焊縫中的焊料全部冷卻凝固,即可以得到焊接件的殘余應力和變形;改變單元激活的步驟及時間,即可得到不同的焊接工藝的焊接結果,從而為焊接過程的優化提供依據。