1. Contexte théorique des composants de contrôle de débit haute pression et des manifolds haute pression
En science et en technologie, pour de nombreux problèmes de mécanique et de physique, les gens ont déjà obtenu les équations de base qu’ils doivent suivre, soit des équations différentielles ordinaires ou partielles, ainsi que les conditions de solution définie correspondantes. Cependant, des solutions exactes par méthodes analytiques ne peuvent être obtenues que pour un petit nombre de problèmes dont les équations sont relativement simples et dont les géométries sont assez régulières. Pour la plupart des problèmes, parce que certaines caractéristiques des équations sont non linéaires ou parce que la géométrie de la région de solution est relativement complexe, il est impossible d’obtenir de réponses analytiques. Il existe généralement deux façons de résoudre ces problèmes. L’une consiste à introduire des hypothèses simplifiantes et à simplifier les équations et les frontières géométriques dans une forme gérable, obtenant la solution sous des conditions simplifiées. Cette méthode n’est faisable que dans des cas limités, car une simplification excessive peut entraîner de grosses erreurs voire de mauvaises réponses. Ainsi, au fil des années, les gens ont cherché et développé une autre voie de solution : les méthodes numériques. Surtout au cours des trente dernières années, avec le développement rapide et la large application des ordinateurs, l’analyse numérique est devenue un outil majeur pour résoudre des problèmes scientifiques et techniques.
L’émergence de la méthode des éléments finis a constitué une avancée majeure dans l’analyse numérique pour la recherche. Son idée de base est de discrétiser une région de solution continue en un nombre fini d’éléments connectés entre eux d’une certaine manière. Parce que les éléments peuvent être combinés sous différentes formes de connexion et que les éléments eux-mêmes peuvent avoir des formes différentes, des domaines de solution complexes peuvent être modélisés. Une autre caractéristique importante de la méthode des éléments finis est que les fonctions approximatives supposées à l’intérieur de chaque élément sont utilisées par morceaux pour représenter la fonction de champ inconnue sur tout le domaine de la solution. La fonction approximative dans un élément est généralement exprimée par les valeurs de la fonction de champ inconnue, ou de ses dérivées, aux nœuds de l’élément et par des fonctions d’interpolation. Ainsi, dans l’analyse par éléments finis d’un problème, les valeurs de la fonction de champ inconnue ou de ses dérivées à chaque nœud deviennent de nouvelles inconnues, convertissant un problème continu à degré de liberté infini en un problème discret à degré de liberté fini. Une fois ces inconnues résolues, les fonctions d’interpolation peuvent être utilisées pour calculer les valeurs approximatives de la fonction de champ dans chaque élément, obtenant ainsi la solution approximative sur l’ensemble du domaine. À mesure que le nombre d’éléments augmente, c’est-à-dire à mesure que la taille des éléments diminue, ou à mesure que les degrés de liberté et la précision d’interpolation augmentent, l’approximation s’améliore continuellement. Si les éléments satisfont aux exigences de convergence, la solution approximative finira par converger vers la solution exacte.
La mécanique de la fracture s’est développée jusqu’à aujourd’hui, et relativement parlant, la partie linéaire-élastique est plus mature. Sa théorie est simple, sa base solide, et elle a été appliquée dans certains domaines de l’ingénierie. Les principaux critères incluent le critère de Griffith, à savoir le critère du taux de libération d’énergie, et le critère d’Irwin, à savoir le critère du facteur d’intensité de contrainte K. Les principales théories de la mécanique de la fracture élastique-plastique sont la théorie COD, le déplacement par ouverture de fissure, proposée en 1960, et la théorie des intégrales en J proposée en 1968. Ces deux théories forment l’ensemble de la mécanique de la fracture élastique-plastique et peuvent être utilisées pour analyser l’ensemble du processus d’initiation, de propagation et d’instabilité des fissures. En tant que véritable discipline, la mécanique de la fracture s’est développée extrêmement rapidement. À partir de l’introduction par G. R. Irwin du concept de facteur d’intensité de contrainte en 1957, il a une histoire de moins de 50 ans dans ce récit. C’est l’une des branches les plus actives de la mécanique des solides et elle a eu une influence majeure sur des domaines de l’ingénierie tels que la physique des métaux, la métallurgie, la science des matériaux, l’aviation, la machinerie, la construction et l’ingénierie des séismes. Il a démontré une grande vitalité et a été largement utilisé pour résoudre des problèmes d’ingénierie pratiques. Il existe de nombreuses applications réussies de la mécanique de la fracture, tant au pays qu’à l’étranger. Certains pays et départements ont même formulé des critères de conception et des normes d’acceptation basés sur la mécanique de la fracture. Par exemple, le bombardier américain B-1 a été conçu selon la mécanique de la fracture. L’évaluation de la tolérance aux défauts des supports de plateforme de production dans le champ pétrolifère de la mer du Nord au Royaume-Uni et du gazoduc en Alaska sont également des applications d’ingénierie typiques de la mécanique de la fracture. L’application de la mécanique de la fracture aux récipients sous pression, en particulier aux récipients nucléaires, est relativement plus avancée.
L’analyse de prédiction des dommages des manifolds haute pression prend d’abord comme base l’analyse élastique-plastique. La méthode d’analyse élastique-plastique utilisée est la méthode des éléments finis. Comme la géométrie des manifolds haute pression est complexe et qu’aucune solution analytique prête à l’emploi ne peut être trouvée, seules des solutions numériques peuvent être obtenues. Sur la base de la solution numérique, une analyse de prédiction des dommages est ensuite réalisée selon la théorie de la mécanique de la fracture correspondante.
2. Importance en ingénierie et valeur d’application des composants de contrôle de débit haute pression et des manifolds haute pression
Les manifolds haute pression sont des ensembles de composants de contrôle de débit haute pression. Les manifolds haute pression sont largement utilisés dans les pipelines pétrochimiques et de gaz naturel. Parce qu’ils supportent une pression d’impact très élevée et des charges alternées à l’intérieur, l’usure de l’épaisseur des parois est considérable. À mesure que les années de service augmentent, des fractures par fatigue se produisent dans les manifolds haute pression. Dans la production pétrochimique et dans des opérations similaires, les pipelines et Manifolds sont responsables du transport de divers matériaux. Une fois un accident survenu, la production normale de l’installation peut être menacée, et des accidents graves tels que l’incendie, l’empoisonnement ou l’explosion peuvent survenir. Par conséquent, la recherche sur la prévision des dommages et l’évaluation de la durée de vie des manifolds haute pression suscite une grande préoccupation en ingénierie. Cet article étudie la question en profondeur, en commençant par l’analyse de la résistance, et sur cette base réalise des analyses de fractures à événement unique, des analyses de durée de vie de fracture par fatigue et des analyses de durée de vie de croissance fissurée des manifolds haute pression. Les principes et résultats de cette recherche peuvent également être étendus à l’analyse de prédiction des dommages des matériaux et pièces tels que les tubes, le tubage, les tubes de forage et les colliers de forage dans les champs pétrolifères et les industries pétrochimiques.
Les manifolds haute pression actuellement utilisés sur les camions pompes à azote liquide, camions de fracturation, camions de sable et camions d’acidification-fracturation de la Downhole Fracturing Company du Bureau d’exploration pétrolière du Liaohe ont généralement des pressions de travail supérieures à 40 MPa et une pression de conception de 100 MPa. Selon le Code de construction et d’acceptation de l’ingénierie des pipelines industriels, GBJ235-82, les pipelines industriels sont divisés par pression de conception en quatre niveaux, de faible à élevé. Lorsque la pression interne p est supérieure à 10 MPa, on considère un pipeline haute pression, et les manifolds haute pression constituent le quatrième niveau. Comme les manifolds haute pression de l’entreprise de fracturation en fond de puits ont un long cycle de service et sont souvent soumis à des charges alternées, l’épaisseur de la paroi est fortement usée et des fissures de fatigue peuvent facilement apparaître dans les zones à concentration de contraintes. Pour garantir une production sûre et fournir une base scientifique pour une utilisation correcte des manifolds haute pression, les résultats de la recherche sont appliqués ici spécifiquement et des résultats satisfaisants ont été obtenus.
3. Statut de recherche nationale et internationale sur les composants de contrôle de débit haute pression et les manifolds haute pression
À l’heure actuelle, des chercheurs nationaux et étrangers ont mené de nombreuses études sur les dégâts, les défaillances et les méthodes d’évaluation des manifolds haute pression et des pipelines. Cependant, les charges de pression généralement étudiées sont inférieures à 40 MPa, et très peu d’études impliquent des charges de pression de 50 MPa à 100 MPa. D’après les résultats de recherche publiés, l’analyse des contraintes utilisant la méthode des éléments finis a été limitée à la plage de déformation élastique. Dans l’analyse de fracture des conduites, la plupart des études appliquent des critères de fracture linéaire-élastique et ne prennent pas en compte l’influence de la zone plastique à pointe de fissure. La recherche internationale sur les pipelines sous pression se concentre principalement sur la corrosion, la fracture des pipelines et les problèmes de sécurité après une défaillance de pipeline. Pour la fracture par corrosion des gazoducs et des pipelines pétroliers, l’ANSI/ASME B31G a été formulée en 1985. En 1997, le Dr David Batte et le Dr Bin Fu du British Gas Pipelines Research Centre ont publié des articles et ont approfondi ce critère, proposant une méthode plus précise pour l’évaluation des fissures sur les pipelines corrodés, basée principalement sur des critères de défaillance et une analyse numérique. Au début des années 1980, des recherches internationales approfondies ont été menées sur la technologie d’évaluation de la sécurité des défauts de pipeline. Certains pays industrialisés ont formulé des normes d’acceptation spéciales et des spécifications d’évaluation des défauts pour les défauts de pipeline. À la fin des années 1980, un programme international de recherche sur l’intégrité des pipelines impliquant neuf pays et régions a été organisé. La recherche nationale actuelle se concentre principalement sur l’évaluation des défauts des récipients sous pression, et la plupart des recherches, analyses et travaux expérimentaux portent sur l’évaluation de l’initiation des fissures. Cependant, l’analyse de la sécurité structurelle doit prendre en compte l’ensemble du processus d’initiation des fissures, de fracture et d’instabilité. Par conséquent, l’analyse de la résistance et la prévision de fatigue-durée de vie pour les manifolds haute pression, en particulier ceux avec des charges de pression supérieures à 40 MPa, restent un écart.
4. Contenu de recherche sur les composants de contrôle de débit haute pression et les manifolds haute pression
Les manifolds haute pression sont utilisés pour transporter les milieux et garantir un écoulement fluide du milieu le long de l’itinéraire conçu. Les composants courants de contrôle de débit haute pression comprennent des ensembles de tuyaux droits à haute pression, des raccords Raccord pivotant et en T. Ces composants de contrôle de débit haute pression sont assemblés organiquement dans des manifolds haute pression afin que le milieu transporté atteigne l’emplacement requis selon les exigences de conception.
Le matériau domestique des ensembles de tuyaux droits, des tuyaux Raccord pivotant et en T dans les manifolds haute pression est de 30 crores. Le matériau importé est équivalent aux forges en acier SA372-V-3B de la norme ASME américaine. Des données détaillées sur la composition chimique, les propriétés mécaniques et les paramètres de fracture de ces matériaux ne sont pas disponibles. Dans cette recherche, la composition chimique, les propriétés mécaniques et les paramètres de fracture doivent être testés et mesurés, confiés au Centre d’essais de vibrations et de résistance ainsi qu’au Laboratoire de mécanique des matériaux de l’Université de technologie de Dalian.
Le contenu spécifique de la recherche est le suivant :
Analyse de la résistance des ensembles de tuyaux droits dans les composants de contrôle de débit haute pression : selon les spécifications, les pièces haute pression sont divisées en 3 pouces, 2 pouces. et 1,5 pouce. Tailles. Trois pièces représentatives à haute pression sont sélectionnées parmi ces trois types pour l’analyse de la résistance dans des cas de charge de pression interne de 50 MPa, 70 MPa et 100 MPa.
Analyse de la résistance des Raccord pivotant dans les composants de contrôle de débit haute pression : des pièces représentatives à haute pression sont également sélectionnées parmi des pièces de 3 pouces, 2 pouces. et 1,5 pouce. spécifications pour l’analyse de la résistance sous des cas de charge de pression interne de 50 MPa, 70 MPa et 100 MPa.
Analyse de la résistance par éléments finis des raccords en T dans les composants de contrôle de débit haute pression : un type importé et un de type national sont sélectionnés pour l’analyse de la résistance dans des cas de charge de pression interne de 50 MPa, 70 MPa et 100 MPa.
Analyse de la résistance par éléments finis des extrémités de tuyau droit dans les composants de contrôle de débit haute pression : l’analyse de la résistance est réalisée dans des cas de charge de pression interne de 50 MPa, 70 MPa et 100 MPa. Puisque la fracture s’est produite à la fin, une analyse théorique de la cause de la fracture est nécessaire.
En utilisant des critères de mécanique de la rupture linéaire-élastique, une analyse de rupture à événement unique est réalisée pour les ensembles de tuyaux droits, les extrémités droites, les raccords Raccord pivotant et les raccords en T dans les composants de contrôle de débit haute pression.
En utilisant la théorie de la fatigue à faible cycle, l’analyse de la fracture par fatigue est réalisée pour les ensembles de tuyaux droits, les extrémités droites, les raccords Raccord pivotant et en T dans les composants de contrôle de débit haute pression.
En utilisant la formule de Paris et la formule linéaire des dommages cumulatifs de Miner, une analyse de la durée de vie de la croissance des fissures est réalisée pour les ensembles de tuyaux droits, les extrémités droites, les raccords Raccord pivotant et en T dans les composants de contrôle de débit haute pression.
