應(yīng)變電測技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用分析

姜有云 馬守正 付群利 翟學(xué)偉

摘要：在進(jìn)行石油鉆井、采油等井場作業(yè)時需要采用相關(guān)的石油機(jī)械，井場環(huán)境惡劣，容易對石油設(shè)備造成影響，因此對石油機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度和抗壓能力等要求較高。應(yīng)變電測技術(shù)可以有效地對石油機(jī)械的應(yīng)力情況加以分析，從而避免常規(guī)分析方法帶來的誤差。本文介紹了應(yīng)變電測技術(shù)的工作原理和發(fā)展趨勢，重點分析了應(yīng)變電測技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變電測技術(shù)；石油機(jī)械；應(yīng)用分析

應(yīng)變電測技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用較為廣泛，和常規(guī)的檢測技術(shù)相比具有很大的優(yōu)勢。應(yīng)變電測技術(shù)在測量過程中檢測較為方便，受環(huán)境的干擾較小。但同時，應(yīng)變電測技術(shù)也存在一定的局限性，這就要求設(shè)計人員需要解決應(yīng)用上的問題，確保應(yīng)變電測技術(shù)運行的穩(wěn)定性以及擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

1.應(yīng)變電測技術(shù)原理及其發(fā)展

1.1應(yīng)變電測技術(shù)原理

金屬材料在受到壓力時都會產(chǎn)生形變，這種形變往往用肉眼無法看出。這時可以將電阻應(yīng)變片作為傳感器元件，當(dāng)金屬材料受到形變時可以使電阻產(chǎn)生變化，將電阻的變化放大轉(zhuǎn)化為電信號，這樣就可以推算出材料應(yīng)變力的情況。電阻應(yīng)變計主要由蓋層、引線、基底和敏感柵這幾部分組成。應(yīng)變電測技術(shù)的工作流程主要如下：

材料受到力的作用產(chǎn)生形變→電阻發(fā)生變化→轉(zhuǎn)化為電壓（或電流）電信號的變化→電信號放大—記錄數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→得到相應(yīng)的應(yīng)力變化。

應(yīng)變電測技術(shù)和一般的檢測技術(shù)相比，具有顯著的優(yōu)勢。應(yīng)變電測技術(shù)不會對測量點的應(yīng)力狀態(tài)有干擾，測量靈敏度和精度都比較高，而且可以很方便地控制測量尺寸與范圍，在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)變電測技術(shù)對測量環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，不管是在零下兩百度的低溫還是兩千度的高溫下穩(wěn)定性都很好。同時，應(yīng)變電測技術(shù)是通過電阻信號轉(zhuǎn)化為電信號來記錄，這樣方便數(shù)字記錄與分析。

1.2應(yīng)變電測技術(shù)的發(fā)展

應(yīng)變電測技術(shù)在不斷地總結(jié)和發(fā)展中產(chǎn)生了幾種新型的測量產(chǎn)品。

1.2.1高性能的新型應(yīng)變計

現(xiàn)在應(yīng)變計的種類繁多，市場上出現(xiàn)了很多特殊類型的應(yīng)變計，比如能夠耐八百多度高溫的應(yīng)變測量計、防水的應(yīng)變計、能夠耐零下兩三百度的應(yīng)變計等等。這些特殊類型的應(yīng)變計有了更好的穩(wěn)定性，對高溫、水等環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，而且有的應(yīng)變計不再是只能測量材料表面某一個定點的情況，可以對表面的應(yīng)力分布進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。

1.2.2現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在對材料應(yīng)力情況作分析時，需要采集測量點的應(yīng)力數(shù)據(jù)才能進(jìn)行統(tǒng)計和研究?，F(xiàn)在有一種數(shù)據(jù)采集器可以同時測量溫度、應(yīng)變量、電壓、電流等多個參數(shù)，可以與多種不同的傳感器兼容，從而可以更方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。這種數(shù)據(jù)采集儀還可以采集氣象條件、濕度等多種參數(shù)，為數(shù)據(jù)研究和管理提供方便。

2.應(yīng)變電測技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用

2.1井架承載能力評價

井架是石油鉆機(jī)的核心部件之一，承受游動系統(tǒng)及鉆柱的全部重量，本身載荷和承受的載荷就很大，再加上施工過程中，受特殊作業(yè)環(huán)境的影響，井架很容易被腐蝕、變形甚至?xí)屏?，?dǎo)致井架無法正常安全的工作。如果井架在長時間的施工過程中遭受腐蝕和變形，這會極大地影響井架的抗壓強(qiáng)度，對施工的安全造成威脅。尤其對于海洋上的進(jìn)行鉆井作業(yè)時，如果發(fā)生意外，后果會更加嚴(yán)重。由于海洋井場與陸地相隔較遠(yuǎn)，交通阻隔，發(fā)生事故，井架很難及時運回陸地整修，嚴(yán)重影響鉆井的效益和設(shè)備安全。

為了及時確定井架在施工過程中所能承受的最大應(yīng)力和承載系數(shù)，需要定期對井架進(jìn)行壓力測試。這種測試需要從靜態(tài)和動態(tài)兩方面著手，靜態(tài)測試可以為動態(tài)測試奠定基礎(chǔ)。鉆機(jī)井架的每一個桿件都會受到剪切力、彎扭作用力和拉力的綜合作用，通過理論知識的推導(dǎo)以及相關(guān)計算可以得到井架的實際應(yīng)力狀態(tài)，從而可以知道最大正應(yīng)力在桿件的哪一個點上。一般情況下，安全事故往往就是發(fā)生在這個節(jié)點上，所以需要對疑似危險節(jié)點進(jìn)行測試，這樣可以確保石油機(jī)械的使用安全。在桿件的延軸方向可以貼上應(yīng)變傳感元件，采用正應(yīng)力測試技術(shù)可以對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。桿件軸向的力可能是壓力也可能是拉力，還有可能受到彎矩的綜合作用，所以合力的綜合作用方向是不確定的，這就導(dǎo)致桿件斷面的危險點無法確定。因此，為了確保桿件的安全，要在桿件每一個可能發(fā)生危險的測點貼上應(yīng)力傳感元件，這樣才能找到危險點在什么位置以確保安全。

2.2抽油機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試

抽油機(jī)是目前油田使用最廣的采油設(shè)備之一，他利用四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿原理，將原動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為上下擺動的直線運動，從而驅(qū)動直桿泵從油井中抽出原油。抽油機(jī)的種類繁多，但使用最為廣泛的是游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)主要是有游梁、原動機(jī)（電機(jī)或柴油機(jī)）、曲柄、減速箱、驢頭、懸繩器、連桿、支架等幾部分組成。當(dāng)抽油機(jī)工作時，高速運轉(zhuǎn)的動力機(jī)，通過皮帶傳動將動力傳遞給二級減速箱，帶動曲柄搖桿結(jié)構(gòu)發(fā)生擺動，最終將動力經(jīng)過懸掛在驢頭上的懸繩器傳遞到井下，實現(xiàn)抽油作業(yè)。

隨著井深的增大，抽油機(jī)的沖程也在不斷加大，導(dǎo)致了抽油機(jī)本身的外形和重量不斷增大。在這種情況下、抽油機(jī)在使用過程出現(xiàn)局部裂痕、變形等問題幾率增多，隨著使用的年限的增大，抽油機(jī)就可能面臨無法工作的危險。因此，需要定時對抽油機(jī)結(jié)構(gòu)的受力強(qiáng)度進(jìn)行分析，尤其要對疑似最大正應(yīng)力點處進(jìn)行檢測，這樣可以確保抽油機(jī)正常工作、確保設(shè)備壽命的重要手段。

3.結(jié)束語

在采油、鉆井等方面應(yīng)用較廣的石油機(jī)械。為了確保施工的順利進(jìn)行，需要保障石油機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度性能達(dá)到使用要求。應(yīng)變電測技術(shù)在石油機(jī)械方面的應(yīng)用很廣泛，能夠定期掌握對測量材料表面的微小形變以及對桿件的應(yīng)力分布情況，從而掌握設(shè)備的整體狀況，為維修和保養(yǎng)提供重要的依據(jù)。應(yīng)變電測技術(shù)在實際操作中也存在一定的局限性，如何擴(kuò)大應(yīng)變電測技術(shù)的應(yīng)用范圍和怎樣對石油機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全面的安全測試是以后需要研究的方向。

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