石油化工行业的CAE解决方案

2019/08/09

随着计算机软件和硬件的发展，有限元方法在压力容器、输送管道、钻井和采油工程中获得越来越广泛的应用。目前，有限元分析越来越成为石油化工行业工程项目设计和实施阶段不可或缺的一个环节。通过进行有限元分析，可有效改进方案设计、提高工程质量并降低成本。

压力容器、输送管道有限元分析

压力容器是石油化工行业的重要设备，安全性对于压力容器的设计至关重要，在设计研发过程中常涉及到强度、稳定性、疲劳寿命等多方面的工程问题。在传统的设计中，为了提高设备的安全性，通常将压力容器的壁厚等参数设置的较为保守，使得设计出来的容器笨重，且还浪费材料。随着计算机技术水平的飞速发展， CAE仿真技术的日趋成熟，利用有限元软件对容器进行仿真分析，并与试验和经验相结合，获得优化的设计参数，从而使得设计的容器能够满足安全性能要求，同时也可以节省制造成本。

CAE技术在压力容器、输送管道中的应用包括：

压力容器静力分析：压力容器整体强度、刚度分析；封头、开孔及补强零件校核，压力容器热应力分析，法兰连接螺栓强度分析；压力容器稳定性分析等
压力容器动力分析：模态分析；瞬时动力学分析；随机振动分析；谱分析等
管道、阀门、焊接接头分析，如接管开口强度分析，方形排汽管道（容器）的强度/刚性分析；接头热应力疲劳和振动疲劳分析

钻井设备、钻井平台有限元分析

由于海洋平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，风、波浪、海流和潮汐及其他不确定载荷等各种动静载荷往往对平台安全构成极大的威胁，因此海洋平台的设计施工涉及到强度、刚度和疲劳寿命等问题，应用CAE技术，与理论、经验相结合，可有效提升研发设计能力，节省开发成本，缩短开发周期并提高市场竞争力。

CAE技术在钻井设备、钻井平台中的应用包括：

钻井平台，钻机井架振动冲击分析
旋转机械和管道等的疲劳分析
岩石水力压裂纹分析

采油设备、采油工程有限元分析

采油工程中包括采油机械设备、杆管柱与封隔器装置、井下泵与动力工具等配套设备。由于采油机械设备的工作条件恶劣、结构受力复杂、要求无故障工作寿命长、自动化程度高等特点，用传统的设计方法已经不能满足现代高性能配套采油设备设计的要求，随着计算机硬件技术和CAE仿真分析技术的不断完善，使得采用有限元技术进行采油工程设计表现出极大的优越性。

当前主流的CAE软件ANSYS，ABAQUS，Fluent，Marc等对采油工程中的地面采油配套设备、井口设备、完井与采油管柱及丝扣连接、井下泵、封隔器与卡瓦、抽油杆等设备进行整体与局部零件的结构应力与变形分析、优化设计、还可以完成井下各类泵的流体动力学分析等。另外，其强大的多物理场耦合功能可以进行诸如流体－固体耦合、热－结构耦合、磁－结构耦合、以及电－磁－流体－热－结构耦合分析，可以应用于对注水过程、压裂、射孔、完井、注蒸汽采油的多物理场参数变化等进行工程仿真研究。