石油化工行業的CAE解決方案

2019/08/09

隨著計算機軟件和硬件的發展，有限元方法在壓力容器、輸送管道、鉆井和采油工程中獲得越來越廣泛的應用。目前，有限元分析越來越成為石油化工行業工程項目設計和實施階段不可或缺的一個環節。通過進行有限元分析，可有效改進方案設計、提高工程質量并降低成本。

壓力容器、輸送管道有限元分析

壓力容器是石油化工行業的重要設備，安全性對于壓力容器的設計至關重要，在設計研發過程中常涉及到強度、穩定性、疲勞壽命等多方面的工程問題。在傳統的設計中，為了提高設備的安全性，通常將壓力容器的壁厚等參數設置的較為保守，使得設計出來的容器笨重，且還浪費材料。隨著計算機技術水平的飛速發展， CAE仿真技術的日趨成熟，利用有限元軟件對容器進行仿真分析，并與試驗和經驗相結合，獲得優化的設計參數，從而使得設計的容器能夠滿足安全性能要求，同時也可以節省制造成本。

CAE技術在壓力容器、輸送管道中的應用包括：

壓力容器靜力分析：壓力容器整體強度、剛度分析；封頭、開孔及補強零件校核，壓力容器熱應力分析，法蘭連接螺栓強度分析；壓力容器穩定性分析等
壓力容器動力分析：模態分析；瞬時動力學分析；隨機振動分析；譜分析等
管道、閥門、焊接接頭分析，如接管開口強度分析，方形排汽管道（容器）的強度/剛性分析；接頭熱應力疲勞和振動疲勞分析

鉆井設備、鉆井平臺有限元分析

由于海洋平臺所處的海洋環境十分復雜和惡劣，風、波浪、海流和潮汐及其他不確定載荷等各種動靜載荷往往對平臺安全構成極大的威脅，因此海洋平臺的設計施工涉及到強度、剛度和疲勞壽命等問題，應用CAE技術，與理論、經驗相結合，可有效提升研發設計能力，節省開發成本，縮短開發周期并提高市場競爭力。

CAE技術在鉆井設備、鉆井平臺中的應用包括：

鉆井平臺，鉆機井架振動沖擊分析
旋轉機械和管道等的疲勞分析
巖石水力壓裂紋分析

采油設備、采油工程有限元分析

采油工程中包括采油機械設備、桿管柱與封隔器裝置、井下泵與動力工具等配套設備。由于采油機械設備的工作條件惡劣、結構受力復雜、要求無故障工作壽命長、自動化程度高等特點，用傳統的設計方法已經不能滿足現代高性能配套采油設備設計的要求，隨著計算機硬件技術和CAE仿真分析技術的不斷完善，使得采用有限元技術進行采油工程設計表現出極大的優越性。

當前主流的CAE軟件ANSYS，ABAQUS，Fluent，Marc等對采油工程中的地面采油配套設備、井口設備、完井與采油管柱及絲扣連接、井下泵、封隔器與卡瓦、抽油桿等設備進行整體與局部零件的結構應力與變形分析、優化設計、還可以完成井下各類泵的流體動力學分析等。另外，其強大的多物理場耦合功能可以進行諸如流體－固體耦合、熱－結構耦合、磁－結構耦合、以及電－磁－流體－熱－結構耦合分析，可以應用于對注水過程、壓裂、射孔、完井、注蒸汽采油的多物理場參數變化等進行工程仿真研究。