高溫高壓下檢測(cè)浮體的裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙全套+畢業(yè)答辯論文】

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購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 摘 要 油田固井浮體在固井過程中起著控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用。如果浮體失效，會(huì)降低固井質(zhì)量，甚至引發(fā)事故。因此對(duì)浮體的耐高溫、耐高壓性能進(jìn)行檢驗(yàn)有利于提高我國固井的質(zhì)量。本論文參照美國 國石油學(xué)會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)，建立一套對(duì)浮體進(jìn)行高溫高壓性能檢驗(yàn)的裝置，使其能模擬浮體井下高溫、高壓和長時(shí)間連續(xù)工作的環(huán)境，該系統(tǒng)包括高溫高壓工作艙、加熱系統(tǒng)和排油冷卻系統(tǒng)等部分。 本文首先進(jìn)行了高溫高壓工作艙的設(shè)計(jì)。工作艙中的高壓釜是在高溫高壓環(huán)境下工作，其強(qiáng)度校核至關(guān)重要。本文在設(shè)計(jì)時(shí)采用了有限元分析方法對(duì)釜體 進(jìn)行了熱 算其最大應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。此外對(duì)工作艙上蓋等其它組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本文還對(duì)排油冷卻系統(tǒng)和注油系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在確定了換熱器類型的基礎(chǔ)上，通過換熱計(jì)算對(duì)傳熱面積進(jìn)行校核，從而確定換熱器尺寸，并對(duì)注油回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 最后在完成加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行了試驗(yàn)。加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括加熱類型的確定，爐膛尺寸和安裝功率的計(jì)算。并對(duì)加熱加壓流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定各測(cè)量溫度。利用所研制的浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)提出了加熱加壓規(guī)程。 該項(xiàng)目的完成，不僅能檢驗(yàn)我國浮體產(chǎn)品的質(zhì)量， 為企業(yè)增效益，提高浮體產(chǎn)品的售價(jià)，擴(kuò)大國內(nèi)市場(chǎng)，還可使浮體產(chǎn)品直接進(jìn)入國際市場(chǎng)，有利于產(chǎn)品出口創(chuàng)匯以及推動(dòng)我國石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，提高我國在國際社會(huì)的地位。 關(guān)鍵詞 浮體；高壓釜； 溫高壓性能 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 he is in to to to in of If is of be it It is to of so as to of in A of to of to PI in It of in in P in in of it is to In to of to so as to to of of in of on of of It to by it At of of of up to by of to It is to of of 買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 It to as as to of in 買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 摘 要 ..................................................................................................................... I ................................................................................................................. 1 章 緒 論 ..................................................................................................... 1 題來源及研究目的和意義 ................................................................. 1 內(nèi)外研究狀況 ..................................................................................... 2 內(nèi)高壓釜研究狀 況 ................................................................... 2 外高壓釜研究狀況 ................................................................... 3 限元在高壓釜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 ............................................................. 4 文的主要研究?jī)?nèi)容 ............................................................................. 5 第 2 章 高溫高壓工作艙設(shè)計(jì) ............................................................................. 7 體簡(jiǎn)介及浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成 ..................................... 7 體簡(jiǎn)介 ....................................................................................... 7 體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成 ............................................... 9 作艙總體設(shè)計(jì) ................................................................................... 10 作艙設(shè)計(jì)參數(shù)確定 ................................................................. 10 作艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) ................................................................. 11 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 ............................................................... 13 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................. 13 體強(qiáng)度有限元分析 ................................................................. 17 作艙上蓋組件設(shè)計(jì) ........................................................................... 24 接預(yù)緊力矩計(jì)算 ............................................................................... 26 章小結(jié) ............................................................................................... 30 第 3 章 排油冷卻系統(tǒng)及注油系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................... 31 熱器分類 ........................................................................................... 31 熱器設(shè)計(jì) ........................................................................................... 31 熱計(jì)算 ..................................................................................... 31 構(gòu)優(yōu)化 ............................................................................................... 36 油系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................................................................... 37 油系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................. 37 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 壓站及管路設(shè)計(jì)要求 ............................................................. 37 章小結(jié) ............................................................................................... 38 第 4 章 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn) ........................................................................... 39 熱方式及加熱爐結(jié)構(gòu) ....................................................................... 39 熱類型及爐型分類 ................................................................. 39 熱爐設(shè)計(jì)要求 ......................................................................... 39 膛尺寸計(jì)算 ............................................................................. 40 熱加壓流程設(shè)計(jì) ............................................................................... 41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳感器作用 ......................................................... 41 統(tǒng)加熱加壓流程設(shè)計(jì) ............................................................. 41 章小結(jié) ............................................................................................... 43 結(jié) 論 ................................................................................................................... 44 致 謝 ................................................................................................................... 45 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 46 附 錄 1 譯文 .......................................................................................................... 47 附錄 2 英文參考資料 .......................................................................................... 50 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第 1 章 緒 論 題來源及研究目的和意義 本課題來源于大慶市紅崗鉆井工具中試廠 ,為保證固井關(guān)鍵件油田固井浮體（簡(jiǎn)稱浮體）產(chǎn)品質(zhì)量，依據(jù)美國石油學(xué)會(huì)（ 標(biāo)準(zhǔn)，建立一套浮體性能檢驗(yàn)裝置。 固井是在鉆井、下入套管后，在套管的周圍加注水泥，如圖 1示。 1圖 1下灌注示意圖 固井是鉆井 工程中的重要環(huán)節(jié)，其主要目的是封隔井眼內(nèi)的油層和水層，保護(hù)油井套管、增加油井壽命以及提高產(chǎn)油量。在整個(gè)固井過程中，固井工具及附件的工作情況是影響固井質(zhì)量的重要因素，有的固井工具甚至是固井成敗的關(guān)鍵。固井工具在井下是否正常工作，除受地面操作的影響，井下環(huán)境也會(huì)影響固井工具的工作情況。浮體是油田固井過程中的一個(gè)關(guān)鍵工具。工作在超過 1000m 深度的地下，需要承受 35高壓和 230℃的高溫，同時(shí)工作中承受水泥的長時(shí)間沖蝕。浮體起著控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用，如果浮體失效，就會(huì)使固井質(zhì)量下降，甚至引發(fā) 事故。因此保證浮體質(zhì)量是保證購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 固井質(zhì)量的關(guān)鍵。所以，建立浮體耐高溫、耐高壓、耐沖蝕性能的檢驗(yàn)裝置是非常必要的。它的完成可以檢驗(yàn)我國浮體產(chǎn)品的質(zhì)量，擴(kuò)大國內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)還可以使浮體直接進(jìn)入國際市場(chǎng)。為企業(yè)增加效益，并有利地推動(dòng)我國石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。 浮體性能檢驗(yàn)裝置包括高溫高壓性能和沖蝕性能檢驗(yàn)兩部分。本文就高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置的研制加以闡述。浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置的基本組成包括：高溫高壓工作艙、加熱系統(tǒng)、排油冷卻系統(tǒng)、注油系統(tǒng)等。 內(nèi)外研究狀況 浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置是模擬井下的高溫高壓工作環(huán)境 ，對(duì)浮體的耐高溫、耐高壓性能進(jìn)行檢驗(yàn)的裝置。其中高溫高壓工作艙是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本文僅就構(gòu)成工作艙的高壓釜國內(nèi)外研究情況進(jìn)行闡述。 內(nèi)高壓釜研究狀況 我國高壓容器的研究已有很長的歷史，而超高壓技術(shù)也開始于上世紀(jì) 50 年代末，當(dāng)時(shí)第一套超高壓聚乙烯中試裝置建立，所有超高壓管式和釜式的反應(yīng)器全都是國內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造的。上世紀(jì) 60年代初人造水晶釜國產(chǎn)化初露頭角，至 90 年代初超高壓水晶釜制造能力達(dá)到 500 臺(tái) /年以上，反應(yīng)釜規(guī)格從內(nèi)徑200250280300 400形成系列， 其質(zhì)量也與國外產(chǎn)品相當(dāng)?？梢哉J(rèn)為高壓容器的研究、設(shè)計(jì)、制造在我國已經(jīng)逐步形成一門綜合性很強(qiáng)的專業(yè)學(xué)科。 如圖 1示為射孔器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)用工作艙結(jié)構(gòu)，主要包括釜蓋、釜體、磁力耦合器、測(cè)溫元件、壓力表、內(nèi)冷卻盤管、推進(jìn)式攪拌器、加熱爐等。該檢測(cè)裝置的工作原理：將被檢射孔器置于超高壓釜內(nèi)，再注入耐高溫液壓油，然后對(duì)釜內(nèi)液壓油進(jìn)行加壓、加溫，模擬深井井下高溫超高壓環(huán)境，同時(shí)檢測(cè)射孔器的性能。 我國于上世紀(jì) 70 年代開始自行設(shè)計(jì) 500L 大容積高壓攪拌釜。經(jīng)過不斷的摸索和實(shí)驗(yàn)，高壓釜的設(shè)計(jì)方法也由過去的設(shè)計(jì)計(jì)算、打壓試驗(yàn) 到建立國標(biāo)、編寫手冊(cè)再到運(yùn)用有限元分析法等不斷的向世界先進(jìn)行列靠攏。 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 外高壓釜研究狀況 一直以來國外在壓力容器的設(shè)計(jì)和制造方面都領(lǐng)先于國內(nèi)。美國機(jī)械工程 1防爆膜裝置 460圖 1孔器檢測(cè)用工作艙結(jié)構(gòu) 師協(xié)會(huì)（ 1914年制訂了第一部《鍋爐規(guī)范》標(biāo)志著壓力容器的安全有了基本的保證。 979年編制了壓力為 70~1400后又 頒布了 第 3分篇《 第Ⅺ篇《玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓力容器》。歐盟也于 1987年和 1997年分別通過了 “簡(jiǎn)單壓力容器法規(guī) ”(87/404/“承壓設(shè)備法規(guī) ”(97/23/ 目前在高壓容器制造方面，日本、俄羅斯是以內(nèi)徑 600~1200產(chǎn)可達(dá) 1800~2000型高壓釜普遍采用壓力較低的生長工藝，約為80 而對(duì)加熱控制 系統(tǒng)及電力質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。日本三菱重工已建成1000000℃的超高溫裝置，其容器系用 =6的厚壁容器，內(nèi)徑為 90體長度為 640買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 東京大學(xué)超高壓研究在室溫下已達(dá)到的壓力是 500 1600℃高溫條件下可達(dá)到的最高壓力是 25 國際上 “有限元 ”這個(gè)名詞于 1965 年開始出現(xiàn)，上世紀(jì) 70 年代該方法開始用于高壓釜設(shè)計(jì)、汽車、船舶等制造領(lǐng)域。而我國則是在上世紀(jì) 90 年代才在高壓釜設(shè)計(jì)上使用有限元分析方法，因此在高壓容器設(shè) 計(jì)方法上國外要遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國。 限元在高壓釜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 浮體性能檢驗(yàn)用高壓釜屬于高壓容器，是典型的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)。由于操作條件非?？量蹋O(shè)備的各部位應(yīng)力分布很不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至發(fā)生斷裂性破壞。所以，通過對(duì)高壓釜進(jìn)行詳盡的應(yīng)力分析，可以有針對(duì)性地在設(shè)計(jì)或制造時(shí)加以控制，必要時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，保證設(shè)備的安全要求。 目前壓力容器及其部件的設(shè)計(jì)可分為基于彈性失效準(zhǔn)則的 “規(guī)則設(shè)計(jì) ”(基于塑性失效準(zhǔn)則的 “分析設(shè)計(jì) ”(其中分析設(shè)計(jì)法是工 程與力學(xué)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅能解決壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)所不能解決的問題 ,而且代表了近代設(shè)計(jì)的先進(jìn)水平。我國分析設(shè)計(jì)規(guī)范是在美國分篇的基礎(chǔ)上建立起來的，并于 1995年在全國開始實(shí)施。 過去我們?cè)谠O(shè)備的設(shè)計(jì)方面，通常采用傳統(tǒng)方法即人工計(jì)算的方法。為了安全起見，設(shè)計(jì)者往往選取較高的安全系數(shù)，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)出的設(shè)備無論是在體積上、重量上還是筒體壁厚方面都較笨拙，在計(jì)算精度上離設(shè)計(jì)要求也相去甚遠(yuǎn)。在設(shè)計(jì)承受內(nèi)壓（且其內(nèi)部壓力不穩(wěn)定）的壓力容器過程中，想要通過人工計(jì)算的方法來準(zhǔn)確描述其載荷 則更是無法實(shí)現(xiàn)，只能依靠工程實(shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)值來估算設(shè)計(jì)中需要的一些參數(shù)。這樣所得到的結(jié)果誤差會(huì)很大，設(shè)計(jì)出的設(shè)備不論是外觀上還是性能上都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。但有限元分析方法誕生后，利用這種快捷、準(zhǔn)確又有效的方法，對(duì)壓力容器特別是高壓和超高壓容器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，所設(shè)計(jì)出的設(shè)備不僅質(zhì)量輕、體積小、節(jié)約材料，而且可以大大的節(jié)約產(chǎn)品在開發(fā)和生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的成本，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。為了滿足自動(dòng)化、大型產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)要求，現(xiàn)在已開發(fā)出了能夠適應(yīng)各種設(shè)計(jì)要求的有限元分析軟件，不僅可以使產(chǎn)品批量、系列化的生產(chǎn)，還可以進(jìn)行非 常規(guī)工藝、非常規(guī)結(jié)構(gòu)，參數(shù)復(fù)雜的多種設(shè)備的應(yīng)力較集中部分的校核。綜合以上各購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，有限元分析方法已逐漸成為壓力容器設(shè)計(jì)過程中所不可或缺的一種重要工具。 “有限單元法 ”這個(gè)名稱自 1960 年由 出以來，至今已走過五十多個(gè)春秋，無論是在理論研究方面還是在其技術(shù)應(yīng)用方面都得到了迅猛的發(fā)展，它的理論以及計(jì)算方法也都有了長足的進(jìn)步。有限單元法（ 稱 通過求解數(shù)理方程，然后再將計(jì)算機(jī)軟件同計(jì)算數(shù)學(xué)等理論有機(jī)結(jié)合起來的數(shù)值分析技術(shù)，是一種極佳的解決工程實(shí)際問題 的分析計(jì)算方法。 有限單元法的主要思想就是將連續(xù)體的求解域進(jìn)行離散化處理，然后再將所有的邊緣結(jié)點(diǎn)重新連接成一個(gè)主體。這樣就把原來的無窮自由度問題轉(zhuǎn)化成了有限自由度問題，從而建立常微分方程組，通過對(duì)其求解來解決常規(guī)理論分析所解決不了的工程實(shí)際問題。 最早的有限元分析軟件是在 1965 年誕生的，它是由美國計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司受美國國家宇航局委托進(jìn)行開發(fā)的 限元分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)展至今已開發(fā)出很多種版本。另外，德國設(shè)計(jì)開發(fā)的 國設(shè)計(jì)開發(fā)的 國設(shè)計(jì)開發(fā)的 及美 國設(shè)計(jì)開發(fā)的都是現(xiàn)在較知名的有限元分析軟件。 目前國際上最流行的有限元軟件是 件，該軟件將結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及聲場(chǎng)分析融為一體，并且它還被廣泛的應(yīng)用于各科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)在解決工程實(shí)際問題中也經(jīng)常使用該軟件。例如在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、土木工程、電子電氣、國防軍工、造船、鐵道、汽車和石化能源等領(lǐng)域，它已成為必備的一種工具。該軟件的另一優(yōu)點(diǎn)就是可以在任意計(jì)算機(jī)的所有系統(tǒng)和平臺(tái)中進(jìn)行操作，其兼容性非 常好。 具有分析非結(jié)構(gòu)場(chǎng)問題、模擬流 固、土壤滲流、電 合電磁、熱 結(jié)構(gòu)以及聲 此本課題采用完成高壓釜的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有限元分析。 文的主要研究?jī)?nèi)容 本課題研究的是如何建立一套能模擬浮體井下高溫、高壓和長時(shí)間連續(xù)工 作的環(huán)境對(duì)浮體進(jìn)行高溫高壓性能的檢驗(yàn)裝置。本文主要工作內(nèi)容如下： 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 （ 1） 對(duì)高溫高壓工作艙進(jìn)行設(shè)計(jì)。先建立系統(tǒng)模型，再確定釜體及其上蓋組件的各項(xiàng)參數(shù)。 （ 2） 高壓釜強(qiáng)度有限元分析。研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力對(duì)釜體內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，并 在模擬溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱 出優(yōu)化意見。 （ 3） 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)是確定安裝功率和各區(qū)測(cè)量溫度，并通過試驗(yàn)確定加熱加壓規(guī)程。 （ 4） 排油冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過換熱量計(jì)算，確定其各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證試驗(yàn)后釜內(nèi)介質(zhì)可快速冷卻后回到儲(chǔ)油池中。 （ 5） 注油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的液壓回路要能夠保證提供系統(tǒng)工作所需的壓力。 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第 2 章 高溫高壓工作艙設(shè)計(jì) 體簡(jiǎn)介及浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成 體簡(jiǎn)介 （ 1）浮體結(jié)構(gòu) 如圖 2示為浮體結(jié)構(gòu)。浮體由閥芯、彈簧、固水泥、套管等部分組成。在固井過 程中，具有一定壓力的水泥漿利用彈簧的彈性流入套管外面，從而起到固井的作用。 a)外觀圖 b)結(jié)構(gòu)圖 1 圖 2體結(jié)構(gòu) （ 2）浮體在固井過程中的作用 ① 防止被注到套管外壁環(huán)空中的水泥漿沿套管內(nèi)壁上返 如圖 2示按照 U 形管原理，如果套管內(nèi)壓力不足，在沒有浮體時(shí)，注到環(huán)形空腔中的水泥漿會(huì)倒流到套管內(nèi)。而在固井時(shí)若套管內(nèi)壓力過大又會(huì)導(dǎo)致環(huán)空中的水泥產(chǎn)生孔隙。所以不采用加大套管內(nèi)壓力的方法來固井。浮體的單向閥作用避免了 U 形管現(xiàn)象，只 允許水泥漿保留在空中，不會(huì)倒灌入套管內(nèi)，同時(shí)還不會(huì)增加套管內(nèi)壓力。 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 1 圖 2 型管原理 ② 防止地層流體向上流動(dòng) 一些油井鉆到一定深度后就會(huì)有液體出現(xiàn)，用浮體來控制流體液面是很重要的。如果套管內(nèi)靜壓力低于底部附近地層的壓力時(shí)，井眼內(nèi)的液體就會(huì)有向管內(nèi)流動(dòng)的趨勢(shì)。此時(shí)，浮體裝置起到重要的控制作用。 ③ 減少鉆機(jī)負(fù)載 油井浮體所具有的特殊裝置，減少了過流端面，這是因?yàn)楦◇w具有防止流體在套管內(nèi)向上流動(dòng)的作用。下套管時(shí)，使用此裝置所產(chǎn)生的向上的浮力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于沒有此裝置時(shí)的浮力。而鉆機(jī)負(fù)載是避免套管下降速度過快的向上的拉力，所以有了浮體可以減少鉆機(jī)負(fù)載。 ④ 減慢水泥漿自由下落 由于水泥漿的密度大于套管內(nèi)液體的密度，這樣水泥漿和套管內(nèi)液體存在密度差，這將導(dǎo)致水泥漿產(chǎn)生自由下落的傾向。而浮體減少了過流端面，在一定程度上減慢了水泥漿的自由下落。 （ 3）浮體的主要性能 ①耐高溫性能 浮體工作環(huán)境的溫度最高達(dá) 230℃。浮體構(gòu)成材料應(yīng)具備耐高溫的性能，即在 230℃的情況下仍能正常工作。 ② 耐高壓及反向承壓能力 浮體工作環(huán)境壓力近 35以浮體必須具有耐 高壓能力。另外，固井之后，環(huán)空中液體所產(chǎn)生的靜壓力大于相應(yīng)的套管內(nèi)液體的靜壓力，浮體必須具有抵抗作用于單向閥的高壓所產(chǎn)生的壓差的能力。 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 ③ 抗磨蝕性能 在固井過程中泥漿中所含有的高硬度顆粒對(duì)浮體產(chǎn)生磨蝕，這就要求浮體具有足夠的抗磨蝕性能。在工作周期內(nèi)，各個(gè)部位或溫度壓力上升的情況下，此裝置仍能正常工作。 ④ 流動(dòng)阻力及反向流動(dòng)阻力 由于浮體流動(dòng)路徑上有一定的結(jié)構(gòu)，因而流體通過浮體循環(huán)時(shí)將產(chǎn)生壓力損失。用浮體的流動(dòng)阻力來估計(jì)壓力損失，如果流體通過浮體時(shí)的壓力損失過大，循環(huán)速度將受到限制。當(dāng)然，在某些情況下 ，希望有較大的壓力損失，其目的是減少套管內(nèi)水泥漿自由下落的速度。 閥體的反向流動(dòng)阻力是衡量浮體壓力浮動(dòng)性能的指標(biāo)。下套管時(shí)允許地層液體從套管下端向上流入到套管內(nèi)，以減少下套管時(shí)的壓力波動(dòng)。 ⑤ 可鉆性 浮體屬于一次性工具，固井后浮體無法取出，需要鉆碎。所以在選擇構(gòu)成浮體的材料時(shí)要考慮其可鉆性。 體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置構(gòu)成 浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)裝置是模擬井下的高溫（ 230℃）、高壓（ 35作環(huán)境，完成浮體的耐高溫、耐高壓性能的檢驗(yàn)。本系統(tǒng)采用釜外加熱，通過釜內(nèi)介質(zhì) —硅基油，達(dá)到試件 所需的溫度。再通過封閉的液壓回路，使釜內(nèi)達(dá)到試件所需壓力，實(shí)現(xiàn)井下工況的模擬。 系統(tǒng)包括： 高溫高壓工作艙：形成封閉的試件容器，通過加熱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)達(dá)到所需的高溫和高壓； 加熱系統(tǒng)：提供檢測(cè)溫度所需的熱量，并根據(jù)熱電偶所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行等溫控制； 注油系統(tǒng)：提供檢驗(yàn)所需壓力，并根據(jù)壓力傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行等壓控制； 排油冷卻系統(tǒng)：通過換熱器中的冷載體對(duì)工作艙內(nèi)介質(zhì)（硅基油）進(jìn)行冷卻； 操作控制系統(tǒng)：按照檢驗(yàn)程序和加熱加壓規(guī)程進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)溫度與壓力控制。 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖 2示。 12345 67 圖 2統(tǒng)總體構(gòu)成 作艙總體設(shè)計(jì) 作艙設(shè)計(jì)參數(shù)確定 （ 1）工作艙工作基本要求 ① 艙內(nèi)有效工作內(nèi)徑為 400工件最大外徑為 360作艙有效工作長度為 1000 ② 艙內(nèi)的工作壓力為 35作溫度為 230℃； ③ 工作艙工作的環(huán)境溫度為 0～ 40℃； ④ 被測(cè)試件聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便； ⑤ 在正常的工作條件下，釜體不發(fā)生塑性變形，密封可靠不泄露，安全使用總 時(shí)間即工作艙壽命要大于（等于） 2000 小時(shí) （ 2）設(shè)計(jì)壓力 容器的設(shè)計(jì)必須考慮最高工作壓力和最高工作溫度可能同時(shí)出現(xiàn)的最苛刻購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 條件的組合。設(shè)計(jì)壓力取略高于或等于最高工作壓力。 P ?? )中 設(shè)計(jì)壓力 最高工作壓力， 5代入上式后得 考慮到存在的其它實(shí)際問題，取設(shè)計(jì)壓力為 40 （ 3）設(shè)計(jì)溫度 釜內(nèi)介質(zhì)被熱載體或冷載體間接加熱或冷卻時(shí)，熱載體的設(shè)計(jì) 溫度根據(jù)加熱或冷卻的方式來選取，對(duì)于外加熱形式，取熱載體的最高工作溫度作為設(shè)計(jì)溫度。 工作艙內(nèi)工作介質(zhì)（硅基油）是通過釜體間接加熱的。因?yàn)楦獌?nèi)試件試驗(yàn)最高工作溫度為 230℃，為提高加熱效率，釜外加熱溫度應(yīng)高于該溫度。根據(jù)表2示的 35料的高溫強(qiáng)度，限定釜外加熱爐的最高溫度在 300～ 500℃之間，取其設(shè)計(jì)溫度為 400℃。 表 25料的高溫強(qiáng)度 t（℃） 20 100 100＜ t≤ 300 300＜ t≤ 500 500＜ t≤ 800 [б ]t（ 292 219 205 199 175 作艙結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) （ 1）工作艙基本結(jié)構(gòu)確定按容器的壓力 （ P） ，壓力容器可分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個(gè)等級(jí)。具體為： ① 低壓容器 ＜ ② 中壓容器 P＜ 10 ③ 高壓容器 10 P＜ 100 ④ 超高壓容器 P ≥ 100 由檢驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)要求可知，所設(shè)計(jì)的釜體工作壓力為 35高壓容器。 一般情況下，中、低壓容器大多數(shù)采用薄壁容器，高壓、超高壓容器多 采用厚壁容器。厚壁容器有單層厚壁和多層厚壁。單層厚壁結(jié)構(gòu)有： ① 單層卷焊式圓筒：適用于 D=400～ 3200P=10～ 100② 單層瓦片式圓筒：適用于 D=400～ 1800P=10～ 100③ 鍛環(huán)組成式圓筒：適用于 D=400～ 1000P=10～ 200購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 ④ 無縫鋼管式圓筒：適用于 D≤ 60⑤ 整體鍛造式圓筒：適用于 D≤ 1000P=10～ 200 ⑥ 整體鍛造自增式圓筒：適用于 D≤ 1000 P=10～ 200多層厚壁高壓容 器，用較薄鋼板一層挨著一層制造成厚容器。其綜合機(jī)械性能優(yōu)于單層厚壁高壓容器，但其成本高于單層厚壁高壓容器。 通過對(duì)比分析，整體鍛造式結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，可以外部控溫，制造成本相對(duì)較低，所以系統(tǒng)釜體采用整體鍛造式結(jié)構(gòu)。上蓋也是整體鍛件，用螺栓聯(lián)結(jié)形成封閉的高溫高壓工作艙。 （ 2）工作介質(zhì)選擇 由于硅基油可視為不可壓縮流體且其物性較穩(wěn)定，故工作介質(zhì)選硅基油。 （ 3） 工作艙總體結(jié)構(gòu) 如圖 2示浮體高溫高壓性能檢驗(yàn)系統(tǒng)工作艙由釜體、上蓋、螺栓等部分組成。釜體和上蓋通過螺栓聯(lián)接形成封閉艙，被檢測(cè)浮體安裝在上蓋。先通過加熱爐對(duì)釜體進(jìn)行加熱，達(dá)到所需溫度（ 230℃）后再加壓，當(dāng)壓力達(dá)到 35 小時(shí)，從而檢驗(yàn)浮體高溫高壓性能是否合格。 10圖 2溫高壓工作艙總體構(gòu)成 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）釜體結(jié)構(gòu)形式 如圖 2示是整體鍛造成形的釜體，包括法蘭、筒體、封頭三部分。 1圖 2體結(jié)構(gòu) （ 2）筒體壁厚設(shè)計(jì) 筒體壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，要在計(jì)算厚度的 基礎(chǔ)上考慮腐蝕裕量和壁厚負(fù)偏差以及企業(yè)安全系數(shù)，最后確定實(shí)際厚度。 壁厚 s =k · δm 式中 k——企業(yè)附加厚度安全系數(shù)， k=2～ δm——筒體名義厚度 ( δm =中 圓筒計(jì)算厚度 ( 壁厚負(fù)偏差 , 腐蝕裕量 ,根據(jù)圓筒計(jì)算厚度公式，知內(nèi)壓圓筒體壁厚： ? ? t ?? ?20（ 2 式中 —圓筒體的內(nèi)直徑 ( P ——設(shè)計(jì)壓力 ( 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 [σ]t——設(shè)計(jì)溫度下圓筒體材料的許用應(yīng)力 ( 將前面的已知條件代入式（ 2得： 00400 ??? ??S（ 取筒體名義厚度為 47壁厚 s =94～ 取 s=100圓筒外直徑 i+2s 已知 400入上式后得 00 3）封頭結(jié)構(gòu) 由于本設(shè)計(jì)封頭與筒體成一體，因此采用 平蓋中的矩形封頭。如圖 2 ①
封頭計(jì)算厚度： ? ? ??? ??? 2 圖 2蓋中的矩形封頭 式中 δ p——平蓋計(jì)算厚度（ 平蓋計(jì)算直徑（ k——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。由平蓋系數(shù) k 選擇有 k=購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 Φ ——焊縫系數(shù)。由整體鍛造決定 Φ =1 將各值代入式（ 2 ????p?（ 平蓋經(jīng)驗(yàn) 厚度計(jì)算法 δL .1?s=100 所以 δ L=120～ 150 選 δ p、 δ L 中大值，k， 確定平蓋厚度為 δ =130 ② 由平蓋系數(shù) k 選擇表 [35]有 r≥ p 且6所以有 r≥ ?r（ 取 r=130 （ 4）開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng) 在壓力容器的試驗(yàn)中，由于結(jié)構(gòu)要求，常要在容器上開孔和聯(lián)結(jié)管。容器開孔后引起強(qiáng)度削弱和應(yīng)力集中，必須采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施，使孔邊應(yīng)力集中系數(shù)降低到某一允許值。由于應(yīng)力集中的局部性，局部峰值應(yīng)力允許超過殼體整體屈服的平均應(yīng)力，因此并不是所有開孔都要補(bǔ)強(qiáng)。 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知，直徑滿足d ??? 需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng) 。 式中 開孔直徑（ 殼體直徑（ δ p——?dú)んw開孔處的計(jì)算厚度（ 高壓釜需要在封頭底部開一注油孔，直徑為 8 即 ???sd(因?yàn)? 8＜ 27，所以不需要開孔補(bǔ)強(qiáng)。 （ 5）強(qiáng)度校核 ① 溫差應(yīng)力的計(jì)算 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)考慮釜體壁厚溫度分布不均而引起的溫度差應(yīng)力，計(jì)算公式如下： 內(nèi)壁 0???????? ?????????(2)(220????（ 2 式中 k——圓筒的外直徑與內(nèi)直徑之比。 k=i=600/400=分別為內(nèi)、外壁壁溫（℃）。已知 04℃， 00℃ E——平均壁溫下材料的彈性模量（ E=2053 103α ——平均壁溫下材料的線膨脹系數(shù)（ mm/℃）。 可知， α =10℃ μ ——平均壁溫下材料的泊松比。 μ =將各值代入式（ 2 ? ?? ? ???????? ????? ?????????( 外壁 ? ?? ? ??????????????????12???（ 2 將各值代入式（ 2 ? ?? ? ? ?????????????????? ???② 在工作應(yīng)力和溫度同時(shí)作用下釜體的應(yīng)力計(jì)算 內(nèi)壁 ????k ln 22 ?????? ???（ 2 k ln ( 2 ?????? ???（ 2 將各值分別代入式（ 2式 (2 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 40??? r?( 1240( 22 ??????????i?( 1)312240( 2 ??????????z?(外壁 ?? 0r?2 ??? ????(2? ? 112 2 ??? ????（ 2 將各值分別代入式（ 2式 (2 )24340( 2 ????????t?（ )224340( 2 ?????????? z?(由于材料為： 35的許用應(yīng)力為 [σ ]=586實(shí)際加熱溫度一定小于 400℃，所以釜體設(shè)計(jì)合格。 體強(qiáng)度 有限元分析 為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，用 件對(duì)高壓釜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合的有限元強(qiáng)度分析。在得到危險(xiǎn)截面后，考慮通過改變其中的某幾個(gè)參數(shù)對(duì)原釜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以降低該處的最大應(yīng)力，使設(shè)計(jì)更趨安全可靠。 析基本過程 1. 前處理過程 （ 1）定義單元類型 購買文檔就送對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 由于高壓釜體在工作時(shí)溫度升高，在約束的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生了熱應(yīng)力，因此在單元類型的選擇時(shí)，應(yīng)考慮到所選取的單元類型是否能滿足熱分析處理的要求。 其次，考慮到設(shè)計(jì)的高壓釜體壁厚較大，不能選用殼單元類型進(jìn)行分析，否則可能會(huì)由于高壓 釜體沿壁厚各參數(shù)過大而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。 綜上考慮，定義單元類型為 具有 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 （ 2）定義材料參數(shù) 因?yàn)?，?無單位的定義，所以需要在分析前限定其使用單位，現(xiàn)規(guī)定單位如下：長度： 強(qiáng)： 參照高壓釜設(shè)計(jì)內(nèi)容，定義材料參數(shù)如下： 高壓釜體材料： 35 可知： ① 力學(xué)性能：室溫時(shí)， бs=835 бb=980 MP