新型石油鉆桿液壓矯直機(jī)結(jié)構(gòu)分析

石永軍，白立劍，王維旭

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002） ①

隨著鉆井深度的不斷增加，地層條件也變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致鉆井過(guò)程中大量鉆桿發(fā)生塑性彎曲。當(dāng)鉆桿發(fā)生塑性彎曲時(shí)，鉆桿和其他連接管具的軸線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足同軸度要求，以至鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加鉆桿的磨損。目前，石油鉆桿矯直通常采用簡(jiǎn)易的壓力矯直設(shè)備，工作人員依據(jù)以前矯直同類(lèi)型鉆桿的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定每一根鉆桿矯直的下壓行程。這種傳統(tǒng)的方式對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，矯直的精度也有著很大的波動(dòng)［1－3］。為了提高石油鉆桿的矯直精度，本文通過(guò)分析鉆桿矯直的工藝過(guò)程，確定影響矯直精度和工作效率的主要影響因素，設(shè)計(jì)出一種新型的石油鉆桿液壓矯直機(jī)。在石油鉆桿的矯直過(guò)程中，該矯直機(jī)旋轉(zhuǎn)并檢測(cè)出鉆桿的彎曲部位，移動(dòng)式主機(jī)移動(dòng)鉆桿并把彎曲位置對(duì)準(zhǔn)壓頭，可實(shí)現(xiàn)較高的矯直精度和工作效率，滿(mǎn)足油田對(duì)大量變形鉆桿矯直的要求。

1 石油鉆桿矯直原理分析

根據(jù)彈塑性變形理論，將矯直機(jī)加壓過(guò)程中鉆桿的彈性變形、彈塑性變形以及彈性回彈綜合起來(lái)考慮，壓力矯直過(guò)程變形曲線(xiàn)如圖1所示。

由圖1可以看出：F－δ曲線(xiàn)反映了整個(gè)石油鉆桿壓彎修復(fù)過(guò)程中壓力F與撓度δ之間的關(guān)系，變形過(guò)程可以分成純彈性彎曲過(guò)程O(píng)A段、彈塑性彎曲過(guò)程AC段以及卸載后的回彈過(guò)程CD段。加載后OA段屬于完全的彈性變形，其變化過(guò)程呈現(xiàn)線(xiàn)性規(guī)律，若繼續(xù)施加壓力到C點(diǎn)后停止加壓，AC段產(chǎn)生的是彈塑性變形，在這個(gè)過(guò)程中鉆桿的變形規(guī)律是非線(xiàn)性的；CD段為停止施加壓力后的彈性回彈過(guò)程，回彈部分的變形可以看作是純彈性變形過(guò)程，其線(xiàn)性變化規(guī)律與OA段基本相同。由于鉆桿在加壓矯直的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)彎現(xiàn)象，所以在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久性變形，即會(huì)有殘余變形產(chǎn)生。殘余變形會(huì)導(dǎo)致鉆桿的回彈曲線(xiàn)最終只能恢復(fù)到D點(diǎn)，所以O(shè)D段所對(duì)應(yīng)的δ值就是單次矯直過(guò)程中產(chǎn)生的殘余塑性撓度值。由C點(diǎn)到D點(diǎn)產(chǎn)生的δ變化值定義為δW，為鉆桿的彈性回彈量。由此可見(jiàn)，對(duì)于初始變形量為δ0的鉆桿，當(dāng)下壓量為δ∑＝δ0＋δW時(shí)，鉆桿所對(duì)應(yīng)的矯直過(guò)彎量也是δW，即回彈量等于過(guò)彎量。如果在此時(shí)撤去矯直壓力，則鉆桿在理論上就可以剛好被矯直。

圖1 壓力矯直過(guò)程變形曲線(xiàn)

2 總體結(jié)構(gòu)

由于鉆桿初始變形量的不同，石油鉆桿矯直過(guò)程所需的矯直壓力以及下壓量的大小也不同。隨著矯直壓力的不斷增大，鉆桿的變形過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性變化趨勢(shì)，并且矯直壓力隨著支點(diǎn)距離的增大而減小，隨著壓頭的下壓量、鉆桿的截面尺寸以及鉆桿材料的屈服極限的增加而增加［4］。為了提高矯直精度和工作效率，本設(shè)計(jì)中矯直機(jī)采用三點(diǎn)式矯直方案，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全自動(dòng)鉆桿液壓矯直機(jī)結(jié)構(gòu)

開(kāi)始矯直石油鉆桿時(shí)，先由上料裝置將鉆桿移送到工作臺(tái)的支座上，鉆桿到位后立即被支座上的夾頭夾緊，支座可以通過(guò)鋼絲繩牽引裝置帶動(dòng)鉆桿移動(dòng)，待鉆桿到達(dá)指定位置后支座停止移動(dòng)，支座上的夾頭松開(kāi)。此時(shí)，鉆桿被旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)頂起，由鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)裝置隨著主機(jī)的移動(dòng)對(duì)鉆桿進(jìn)行彎曲度檢測(cè)，并實(shí)時(shí)將檢測(cè)信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)對(duì)鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作控制，使其能夠?qū)@桿的最大彎曲處對(duì)準(zhǔn)移動(dòng)主機(jī)的壓頭。待彎曲位置確定后，鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的液壓缸回縮使得鉆桿重新被放到支座上。此時(shí)，啟動(dòng)移動(dòng)主機(jī)上的主液壓缸使壓頭對(duì)準(zhǔn)鉆桿的最大彎曲處開(kāi)始加壓矯直，此過(guò)程要求移動(dòng)主機(jī)上的壓頭能夠迅速伸出和精確定位，以達(dá)到提高矯直工作效率和矯直精度的目的。壓頭通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行下壓量的控制，到達(dá)目標(biāo)位置后主液壓缸卸壓，由兩側(cè)的輔助液壓缸帶動(dòng)中間滑板快速回縮，完成1次壓彎作業(yè)過(guò)程。矯直完畢后，再由測(cè)量裝置檢測(cè)鉆桿的撓度是否滿(mǎn)足直線(xiàn)度的要求，若直線(xiàn)度不合格，再次啟動(dòng)液壓缸壓頭重復(fù)上述過(guò)程，直至工件的撓度達(dá)到許可值。最后，將鉆桿卸下排放到成品架上，以便開(kāi)始下一輪新的矯直工作。

3 主要部件結(jié)構(gòu)

3.1 移動(dòng)式主機(jī)

石油鉆桿的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，兩端還有接箍、接頭和臺(tái)階面，為了便于壓頭對(duì)準(zhǔn)鉆桿的彎曲部位，設(shè)計(jì)出移動(dòng)式主機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

移動(dòng)式主機(jī)采用四立柱門(mén)形閉式結(jié)構(gòu)，由4根圓立柱進(jìn)行支撐，預(yù)緊后，立柱伸入下橫梁、上橫梁的部分會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的剛性機(jī)架。上橫梁位于立柱上部，用于安裝主液壓缸、輔助液壓缸以及承受相應(yīng)的工作載荷，主液壓缸要求可以實(shí)現(xiàn)快進(jìn)，減速接近工件，加壓矯直，泄壓等一系列的工作要求；中間滑板置于下橫梁和上橫梁之間，其上端面中間位置與主液壓缸柱塞相連，兩側(cè)與輔助液壓缸柱塞相連，輔助液壓缸主要用來(lái)控制主液壓缸柱塞的快速移動(dòng)；下橫梁主要用于安裝移動(dòng)主機(jī)的傳動(dòng)裝置及滾動(dòng)車(chē)輪，下端面有燕尾形滑槽機(jī)構(gòu)，可以使移動(dòng)主機(jī)穩(wěn)定的在導(dǎo)軌上移動(dòng)并防止加壓時(shí)移動(dòng)主機(jī)因反作用力而脫軌。

圖3 移動(dòng)式主機(jī)

3.2 鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包括液壓舉升裝置、旋轉(zhuǎn)滾筒、傳動(dòng)裝置以及支架4個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。舉升裝置將鉆桿從支座上舉起，傳動(dòng)裝置通過(guò)鏈輪鏈條帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒又通過(guò)與鉆桿之間的摩擦力帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)。待鉆桿旋轉(zhuǎn)到合適的位置后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)停止運(yùn)行，舉升液壓缸柱塞回縮，鉆桿重新回到支座上，至此便完成1次鉆桿旋轉(zhuǎn)工作。鉆桿放入工作臺(tái)后需要對(duì)其進(jìn)行彎曲撓度的檢測(cè)，檢測(cè)裝置隨著主機(jī)的移動(dòng)對(duì)鉆桿進(jìn)行彎曲度檢測(cè)。鉆桿能夠進(jìn)行周向的旋轉(zhuǎn)，以便檢測(cè)裝置可以充分地測(cè)出鉆桿整個(gè)圓周方向的彎曲撓度。

圖4 鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

4 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

4.1 上橫梁

在實(shí)際工作中，上橫梁主要用來(lái)安裝液壓缸和承受工作載荷，因此上橫梁應(yīng)具有足夠的工作強(qiáng)度［5］。本設(shè)計(jì)中，上橫梁采用ZG35鑄鋼材料制造，由于中間位置安裝主液壓缸，其工作時(shí)受力較大，所以橫梁中間的厚度大，而兩側(cè)的厚度小。上橫梁受力如圖5，設(shè)計(jì)的最大工作載荷F＝1 200 k N。

圖5 上橫梁受力簡(jiǎn)圖

基于ANSYS軟件對(duì)上橫梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖6～7所示?？梢钥闯觯荷蠙M梁最危險(xiǎn)處應(yīng)力為191.1 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力270 MPa，所以此設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工作要求，最大變形為6×10－4mm＜0.01 mm，其變形量在允許范圍內(nèi)。

圖6 上橫梁應(yīng)力云圖

圖7 上橫梁位移云圖

4.2 滑槽

由于滑槽是用來(lái)防止移動(dòng)式主機(jī)加壓時(shí)脫軌，因此滑槽也應(yīng)具用一定的強(qiáng)度［6］。本設(shè)計(jì)中滑槽材料與上橫梁材料相同，有限元分析結(jié)果如圖8～9所示。可以看出：滑槽最危險(xiǎn)處應(yīng)力為122 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力270 MPa，滿(mǎn)足工作要求，最大變形為4.3×10－5mm＜0.01 mm，其變形量在允許范圍內(nèi)。

圖8 滑槽應(yīng)力云圖

圖9 滑槽位移云圖

5 結(jié)論

1） 新型的石油鉆桿液壓矯直機(jī)采用三點(diǎn)矯直原理對(duì)彎曲鉆桿進(jìn)行矯直，能使彎曲部位迅速、精確定位，以達(dá)到提高矯直工作效率和矯直精度的目的。

2） 有限元分析結(jié)果表明：上橫梁危險(xiǎn)處應(yīng)力為191.1 MPa，小于材料的許用應(yīng)力270 MPa，最大變形為6×10－4mm，小于允許變形量0.01 mm；滑槽最危險(xiǎn)處應(yīng)力為122 MPa，最大變形為4.3×10－5mm。滿(mǎn)足工作要求。

3） 該矯直機(jī)的研制成功為油田高質(zhì)量、高效率矯直大量變形鉆桿提供了保障。

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