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DU675大鉤是9000 m石油鉆機游吊系統(tǒng)最重要的部件之一，在鉆井作業(yè)中的主要作用為起下鉆具、懸持鉆柱、下套管；卡鉆或遇阻時提拔鉆柱，在解卡破阻排除事故時，可能要承受2倍最大鉆柱質(zhì)量的靜載荷。傳統(tǒng)大鉤鉤身的應(yīng)力處理方法是將載荷在鉤體承載表面上均勻分布，并將載荷離散后施加。此方法計算量大，且很難反映出大鉤鉤身真實的受力情況，而鉤身是大鉤承載的最重要的零件，鉤身的使用壽命、強度和可靠性直接決定鉆井作業(yè)的安全。在鉆井作業(yè)復(fù)雜工況、最大鉆柱重力和交變載荷的共同反復(fù)作用下，對鉤身的綜合力學性能、安全可靠性要求極高。
本文利用ANSYS有限元分析軟件，直接將最大鉤載加載到鉤身工作部位，對DU675型大鉤鉤身的應(yīng)力進行計算分析，真實反映出鉤身的應(yīng)力分布情況，為大鉤的可靠性提供了更為精準的理論校核依據(jù)，并用ZU20Ni2CrMo-M鑄鋼件替換了原來的T-217E材料。材料的屈服強度由原來的655 MPa提高到690 MPa，提高了鉤身的綜合力學性能，更加有效地提高了大鉤的使用壽命和安全可靠性。
建立完整的鉤身幾何模型，對鉤身部分倒角和圓角在建模時作了簡化處理。分析計算使用的軟件為ANSYS WORKBENCH。根據(jù)API標準叫和ASME標準的相關(guān)規(guī)定，對大鉤受力模型進行簡化：假設(shè)施加在大鉤上的載荷恒定，不隨時間變化；假設(shè)大鉤鉤身的工況載荷、試驗工況載荷分別為6750 kN和13500 kN。為了提高計算結(jié)果的精度，在有限元網(wǎng)格劃分時，采用軟件默認的整體網(wǎng)格自由剖分，Relevance的值選最大值100，這樣剖分的網(wǎng)格密度最高；經(jīng)過計算機網(wǎng)格剖分，鉤身的節(jié)點數(shù)37059個，單元數(shù)21678個。
由于大鉤鉤身是軸對稱結(jié)構(gòu)，建立的模型在對稱而上不能有位移。在1/2鉤身主鉤工作部位的對稱而上施加對稱約束，對鉤體圓筒施加垂直方向固定約束，即u=U。
大鉤鉤身材料采用ZU20Ni2CrMo M的優(yōu)質(zhì)合金鑄鋼。
DU675型大鉤主鉤受到鉆具系統(tǒng)向下的載荷作用，根據(jù)ASME珊第2冊AD篇校驗部分的規(guī)定，應(yīng)分別校核大鉤在最大工作工況載荷6750 kN和最大試驗工況載荷13500 kN條件下的強度是否滿足要求。經(jīng)有限元分析計算可知，主鉤載荷在6750kN和13500 kN條件下分別對應(yīng)的應(yīng)力分布。
最大應(yīng)力發(fā)生在鉤身主鉤的承載部位。主鉤載荷6 750 kN時應(yīng)力集中處VorrMise、等效應(yīng)力為352. 802 MPa；載荷13 500 kN時應(yīng)力集中處Von Mise、等效應(yīng)力為705. 604 MPa，均小于材料的極限強度795 MPa，滿足材料強度要求。
采用載荷直接加載在主鉤工作部位，并根據(jù)API標準和ASME標準的有關(guān)要求，建立了DU675大鉤鉤身承載模型，更精準地模擬實際工況，并在最大試驗工況載荷13500kN條件下對其進行強度分析計算。分析結(jié)果表明，其最大應(yīng)力均小于極限強度795 MPa，滿足設(shè)計強度要求。鉤身材料采用ZU20Ni2CrMo M優(yōu)質(zhì)鑄鋼件，材料的屈服強度提高到690 MPa。通過本次設(shè)計優(yōu)化和材料改進，提高了鉤身的安全性、可靠性、使用壽命，有效解決了大鉤在承受鉆具最大交變沖擊載荷時對鉤身損壞的問題。該方法可推廣用于DU450、 DU315DU320、DU225系列大鉤游吊系統(tǒng)。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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