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石油压裂活动弯头设计计算书


编号:

3 " 103.5Mpa

活动弯头

设计计算书

1.0

概述 我公司已经形成节流及压井系统元件批量生产的能力,为保证产品

质量,满足用户需要,降低生产成本,特分别对各类整体接头进行设计 计 算 。 以 下 对 3 " 103.5Mpa 旋

转 活 动 弯 头 各 主 要 尺 寸 进 行 计 算 校 核 。 2.0 活 动 弯 头 受 内 压 时 危 险 截 面 处 的 强 度 校 核 从 活 动 弯 头 受 内 压 时 受 力 状 况 分 析 , 如 图 1 所 示 D1 处 弯 头 体 截 面 壁厚最薄,强度最低。我们以活动弯头工作状况最差时来校核该处的强 度 ,工 作 压 力 为 P=103.5MPa 。下 面 ,我 们 来 校 核 各 类 活 动 弯 头 的 危 险 截 面的强度。

在 此 时 用 42CrMo 材 料 制 成 的 弯 头 体 设 计 许 用 应 力 应 按 API Spec 16c ( 第 1 版 ) 第 3 节 3.1.1 ASME 方 法 确 定 :
2 S y ( 即 安 全 系 数 n = 1.5 ) 3

Sm ?

材 料 的 机 械 性 能 按 API Spec 16c( 第 1 版 )规 范 中 75K 级 计 算 时 ,钢
1

材 的 最 小 屈 服 强 度 Sy = 517MPa ; 而 42CrMo 合 金 钢 管 的 力 学 性 能 Sy = 930MPa ( 锻 件 用 合 金 结 构 钢 GB/T17107-1997 ) , 大 于 517MPa , 取 安 全 系 数 n = 1.5 则 额 定 工 作 压 力 下 设 计 应 力 S= S m ?
2 S y =930/1.5=620MPa ; 3

最 大 许 用 主 薄 膜 应 力 St=0.9Sy=558MPa ( 1) 3" 活 动 弯 头 的 强 度 校 核 : 根 据 ASME 第 二 册 2013 版 附 录 5D 中 公 式 ( 5-D.14 )

? p?

P ( Di ? t ) 103 .5 * (63.5 ? 20.2) = =214.5MPa<St 2t 2 * 20.2

其 中 : 压 力 P=103.5MPa , 外 径 D1 =103.9mm , 内 径 Di =63.5mm , 壁 厚 t = ( D1 - Di ) /2 = 20.2mm
PDi =9.7mm 2 St ? P

( 2 ) 计 算 厚 度 [t]=

实 际 壁 厚 为 20.2mm , 所 以 腐 蚀 裕 量 足 够 , 强 度 足 够 。 2.0 活 动 弯 头 承 受 拉 伸 力 时 应 力 集 中 计 算 : 如图 1 所示, 当活动弯头处于工作状时, 要受到一轴向拉伸力的作用, 不可避免的要在台肩面 R 处产生应力集中。当应力集中引起的应力大于 材料屈服极限时,将引起 R 处局部屈服,产生裂纹,最后导致断裂。因 此 ,必 须 计 算 应 力 集 中 对 产 品 的 影 响 。下 面 ,计 算 以 下 当 前 工 作 压 力 P , 用 42CrMo 材 料 制 造 的 本 体 应 力 集 中 的 情 况 , 材 料 的 屈 服 极 限 Sy = 930MPa; 当 P=103.5MPa 时 ,
2

3″ 活 动 弯 头 的 应 力 集 中 校 核 : H=( D2- D1)/2 = ( 116.28 - 103.89 ) /2 = 6.195mm H/R=6.195/0.8 = 7.74 , 符 合 0.25 ≤ H/R ≤ 20 其 中 : D2=116.28mm , D1=103.89mm , R=0.8mm 而 H/D2=0.10 , 根 据 图 4.14-34 并 用 内 线 性 插 值 法 求 得 应 力 集 中 系 数 a=3.09 所 以 在 工 作 压 力 P=103.5 Mpa 时 , R 处 于 最 大 应 力 值 为 б max = 3.09X103.5 = 324.45 Mpa 安 全 系 数 n= б s/ б max = 930/324.45 = 2.8 由 此 可 知 , 工 作 压 力 103.5 Mpa 下 , 不 会 因 压 力 集 中 而 使 产 品 破 坏 。 3.0 高压活动弯头螺纹强度校核:
7.2 57 29°

3.2

3. 2

已 知 高 压 活 动 弯 头 材 料 为 42CrMo 调 质 处 理 硬 度
131.6
Φ

强 度 , 根 据 ASME B31.3 工 艺 管 道 302.3.2 设 计 应 力 的 基 础 对 螺 栓 材 料 设 计 应 力 取 值 Sy=930MPa :

3:1

1 3 2 . 4 4 /Φ 8

I放 大

Φ

1 2 8. 7 6

HRC28~32 , 按 ASTM 规 范 的 要 求 螺 栓 材 料 取 最 低 屈 服

螺 栓 材 料 取 最 低 屈 服 强 度 : [ σ ]=2/3Sy=620MPa , 许 用 拉 伸 应 力 强 度 [St]=1/4Sy=232.5Mpa
D1 2 ) ? 343270.69N 2

螺 纹 所 受 的 载 荷 : F ? ?p(

3

Φ

13 6 . 53 / Φ 1 3 6 .1 6

0 -1. 14

1>. 高 压 活 动 弯 头 螺 纹 抗 拉 强 度 校 核 :

??

1.3F 1.3F ? ? 33.93MPa<[St] Es ? K S 2 S 3.1416( ) 4

2> 高 压 活 动 弯 头 螺 纹 剪 切 强 度 校 核 :

St ?

1.3F ? 340.13MPa < [ σ 1 3.1416 Kn[0.5 ? tan 14.5( ES ? k n )] P
Ks : 外 螺 纹 的 最 小 内 径

]

其 中 : Es: 外 螺 纹 的 最 小 中 经

Kn : 内 螺 纹 最 大 内 径

结论:整体式高压活动弯头螺纹强度符合设计要求。

通 过 以 上 计 算 可 知 ,103.5 Mpa 活 动 弯 头 类 产 品 设 计 是 安 全 的 ,可 靠 的,也是成功的。

4

参考文献:

《 机 械 设 计 手 册 》 机 械 工 业 出 版 社 2004 年 8 月 出 版 ;

《 API

Spec 16C 节 流 和 压 井 系 统 规 范 》石 油 工 业 标 准 化 研 究 所 1993 年 1

月 29 日 翻 译 出 版 ;

《 ASME 锅 炉 及 压 力 容 器 规 范 国 际 性 规 范 》中 国 石 化 出 版 社 2004 年 7 月 出 版;

《 ASME 压 力 管 道 规 范 B31 美 国 国 家 标 准 》 B31.3 工 艺 管 道 ;

《 英 美 螺 纹 标 准 》 华 北 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺 研 究 所 , 1982 年 2 月

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