<strong>175 MPa</strong>超高压井口<strong>6BX</strong>型法兰结构评价及轻量化设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.114

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (4): 499-513 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.114

优化设计

175 MPa超高压井口6BX型法兰结构评价及轻量化设计

张绪亮^1,^2,^3,⁴(

),史君林^5,⁶,董仁^1,^2,^3,⁴,练章华⁵,查磊^1,^2,^3,⁴,蒋洪波^1,^2,^3,⁴

^1.中国石油天然气集团有限公司超深层复杂油气藏勘探开发技术研发中心，新疆库尔勒 841000
^2.新疆维吾尔自治区超深层复杂油气藏勘探开发工程研究中心，新疆库尔勒 841000
^3.新疆超深油气重点实验室，新疆库尔勒 841000
^4.中国石油塔里木油田公司，新疆库尔勒 841000
^5.西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室，四川成都 610500
^6.四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000

Structural evaluation and lightweight design of 175 MPa ultra-high pressure wellhead 6BX flange

Xuliang ZHANG^1,^2,^3,⁴(

),Junlin SHI^5,⁶,Ren DONG^1,^2,^3,⁴,Zhanghua LIAN⁵,Lei ZHA^1,^2,^3,⁴,Hongbo JIANG^1,^2,^3,⁴

^1.R & D Center for Ultra-deep Complex Reservior Exploration and Development, CNPC, Korla 841000, China
^2.Engineering Research Center for Ultra-deep Complex Reservoir Exploration and Development, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Korla 841000, China
^3.Xinjiang?Key?Laboratory?of Ultra-deep Oil and Gas, Korla 841000, China
^4.Petrochina Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China
^5.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
^6.School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Yibin 644000, China

全文: PDF(5381 KB) HTML

摘要：

为了解决175 MPa超高压井口装置因规范标准缺失而导致的传统设计中体积冗余、制造难度大及存在潜在失效风险等问题，开展井口设备关键部件6BX型法兰的结构评价及轻量化设计研究。以175 MPa井口装置使用的口径为280 mm的6BX型法兰为研究对象，从材料性能、垫环密封强度等方面对某公司生产的6BX型法兰进行评价，探讨了水压试验压力与法兰结构强度和尺寸的关系，揭示了法兰尺寸的影响因素；在保证安全的前提下，提出了轻量化的优化方案，并采用有限元方法论证了优化后结构的合理性。研究结果表明：采用传统方式设计的法兰结构能满足实际使用要求，但结构体积过大，安装不便，其壁厚过厚会造成材料热处理难度大且存在风险，而且采用标准BX型垫环有密封泄漏的风险；法兰结构尺寸受多因素影响，大口径法兰结构尺寸的主控因素是水压试验压力，其次是颈部厚度；建议根据弹塑性理论设计颈部厚度，对于175 MPa超高压井口设备，推荐法兰内外径之比为2，并采用加宽的BX型垫环。所提出的法兰结构优化方案合理，法兰轻量化效果显著，且有一定的安全裕量；建议降低175 MPa超高压井口装备水压试验压力，从原来的1.5倍额定压力降低为1.25倍。研究结果为175 MPa超高压法兰结构的设计提供了理论依据。

关键词： 超高压; 井口设备; 6BX型法兰; 轻量化; 有限元分析

Abstract:

To address the issues of volume redundancy, high manufacturing difficulty and potential failure risks in the traditional design of 175 MPa ultra-high pressure wellhead equipment due to the absence of specification standards, a structural evaluation and lightweight design research on the critical component 6BX flange of wellhead equipment was conducted. Taking the 6BX flange with a diameter of 280 mm and employed in 175 MPa wellhead equipment as the research object, the 6BX flange produced by a certain company was evaluated in terms of material properties, gasket sealing strength and other factors. The relationship between the hydrostatic test pressure and the structural strength and dimensions of flange was explored, and the influence factors of flange dimensions were revealed. Under the premise of ensuring safety, an optimization scheme for lightweight was proposed, and the rationality of the optimized structure was verified by the finite element method. The research results indicated that the flange structure designed by the traditional method could meet the actual use requirements, but it had an excessively large structure volume, making installation inconvenient. Excessive wall thickness would make the material processing more difficult and risky, and using standard BX gasket also posed the risk of sealing leakage. The flange structure dimensions was influenced by multiple factors. The main controlling factor for the dimensions of large-diameter flange structures was the hydrostatic test pressure, followed by the neck thickness. It was recommended to design the neck thickness according to the elastic-plasticity theory. For the 175 MPa ultra-high pressure wellhead equipment, the ratio of the inner and outer diameters of flange was recommended to be 2 and a widened BX gasket should be adopted. The proposed flange structure optimization scheme was reasonable, significantly reducing the weight of the flange, and also offering a certain safety margin. It was recommended to reduce the hydrostatic pressure test pressure for the 175 MPa ultra-high pressure wellhead equipment from the original 1.5 times the rated pressure to 1.25 times. The research results provide a theoretical basis for the design of the 175 MPa ultra-high pressure flange structure.

Key words: ultra-high pressure wellhead equipment 6BX flange lightweight finite element analysis

收稿日期: 2025-02-24 出版日期: 2025-09-01

CLC:

TE 931.1

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金项目(52204015);四川省自然科学基金项目(2023NSFSC0920);四川轻化工大学科研创新团队计划项目(SUSE652A004)

通讯作者: 史君林 E-mail: 821070764@qq.com

作者简介: 张绪亮（1989—），男，高级工程师，博士生，从事井控技术及其应用等研究，E-mail: 821070764@qq.com

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引用本文:

张绪亮,史君林,董仁,练章华,查磊,蒋洪波. 175 MPa超高压井口6BX型法兰结构评价及轻量化设计[J]. 工程设计学报, 2025, 32(4): 499-513.

Xuliang ZHANG,Junlin SHI,Ren DONG,Zhanghua LIAN,Lei ZHA,Hongbo JIANG. Structural evaluation and lightweight design of 175 MPa ultra-high pressure wellhead 6BX flange[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(4): 499-513.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.114 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I4/499

图1 采油树安装现场

图2 法兰结构模型

表1 法兰尺寸测量结果

图3 BX型垫环力学模型

表2 两种马氏体不锈钢的主要化学成分

图4 F6NM（UNS S41500）材料拉伸测试数据

图5 垫环受力分解

图6 螺栓孔分布圆直径的确定

图7 螺栓孔分度圆直径与轮毂大径和螺栓数量的关系

图8 不同方法算得的法兰径比

尺寸参数	数值
垫环外径D_r	368.1 $- 0.13 0$
环高H	23.14 $0 + 0.20$
环宽A	30.1 $0 + 0.20$
平面直径D_p	364.83 $- 0.5 + 0.5$
平面宽C	26.83 $0 + 0.15$
孔径D	3.2 $0 + 0.15$
槽深E	13.88 $0 + 0.50$
槽外径G	373.3 $0 + 0.10$
槽宽N	36.14 $0 + 10$

表 3 优化后BX垫环和垫环槽的尺寸 (mm)

表 4 不同方案下的法兰结构尺寸

图9 轻量化前后法兰结构尺寸对比

图10 法兰结构有限元模型

图11 垫环材料应力—应变曲线

图12 各工况下法兰结构应力云图

图13 额定工况下法兰结构各方向应力云图

图14 各工况下法兰结构轴向位移云图

图15 各工况下上下法兰之间凸面的接触压力云图

图16 水压工况下螺栓应力云图

图17 各工况下螺栓中间截面应力云图

图18 法兰中部轴向位移曲线

表5 法兰刚度系数计算结果

图19 极限内压下法兰结构应力和应变云图

图20 垫环关键位置内压—应变曲线

图21 额定工况下法兰结构在附加弯矩作用下的变形示意

图22 极限状态下螺栓应力及其与力矩的关系曲线

图23 上下法兰凸台间隙与力矩的关系曲线

图24 极限拉伸载荷作用下法兰结构应力云图

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