激光切割石油割縫管中的傳熱問題研究

李玉林 李彬 張耀兵

摘要：本文主要對(duì)激光切割石油篩管過程中傳熱問題進(jìn)行研究，通過建立數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行相應(yīng)的理論研究，以便能夠清楚了解激光切割石油篩管中的傳熱規(guī)律，為相關(guān)工作做好準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：激光切割；石油割縫管；傳熱問題

前言

篩管是石油鉆采作業(yè)中的重要器材，在采油防砂以及先期完井中有著重要的應(yīng)用，特別是割縫篩管憑借其物美價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)在石油鉆采作業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，加工石油割縫篩管的方法有很多，但是大部分常規(guī)加工方式存在著許多問題。作為一種高能光束，激光聚焦能夠形成半徑為0.08毫米左右的焦斑。光束焦斑溫度極高，可以瞬間融化、蒸發(fā)材料照射部位。所以，當(dāng)鋼管與激光光束相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，激光光束能夠在管體上切出一條割縫來。因此，制造割縫篩管的眾多方法中，激光切割是一種較為先進(jìn)的技術(shù)方法。當(dāng)然激光切割在應(yīng)用中也存在著一定的問題，其中傳熱問題尤其要引起重視，本文主要就傳熱問題進(jìn)行相應(yīng)的理論分析。

1.熱傳數(shù)學(xué)模型的建立

石油篩管在激光切割中的加熱步驟可以分為兩層，第一層加熱初始階段，石油篩管的表面不融化的情況下，經(jīng)過固體傳熱機(jī)制，表面熱源將熱能傳遞給基體，造成基體材料被加熱，整個(gè)過程也被成為固態(tài)熱傳。第二層，石油篩管表面在激光光束強(qiáng)度超過一定閡值時(shí)開始出現(xiàn)融化現(xiàn)象。這時(shí)金屬熔池內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)熔體對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

1.1激光切割石油篩管描述

石油篩管在加工過程中是將10米的鋼管進(jìn)行對(duì)稱切割，激光在切割8厘米時(shí)要停止切割，而后前進(jìn)2厘米再進(jìn)行切割，而后再進(jìn)行8厘米進(jìn)行切割，周而復(fù)始。待三條縫切割完成之后，將管材進(jìn)行180°轉(zhuǎn)動(dòng)之后再進(jìn)行上述切割，要做到轉(zhuǎn)動(dòng)一周切割30條縫，相當(dāng)于篩管每轉(zhuǎn)動(dòng)12°就要切割一條縫。激光光束進(jìn)行割縫時(shí)管材傳熱的溫度場(chǎng)是本文研究的重點(diǎn)。經(jīng)過嘗試計(jì)算后發(fā)現(xiàn)每一條縫的熱影響區(qū)不大，所以在研究時(shí)，研究對(duì)象選擇管材斷面的1/4最佳。在計(jì)算時(shí)，管材長(zhǎng)度6厘米，外徑4.45厘米，內(nèi)徑3.79厘米進(jìn)行有限元剖分。

1.2數(shù)學(xué)模型的建立

為了保證數(shù)學(xué)模型的科學(xué)性，首先要做以下假設(shè)：1）激光光束保持穩(wěn)定的功率；2）當(dāng)石油篩管切割時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱與激光光束產(chǎn)生的熱量需要轉(zhuǎn)化折算為當(dāng)量熱流密度；3）石油篩管的外壁與內(nèi)壁的空氣溫度要假設(shè)在20℃；4）假設(shè)管材的厚度與激光光束聚焦焦深相同。

2.計(jì)算結(jié)果與分析

2.1不同時(shí)刻管材的整體溫度場(chǎng)

假設(shè)激光光束的功率為1300W，平均每分鐘的切割速度為1米，激光聚焦深度為0.65厘米，激光焦斑直徑為0.015厘米。通過計(jì)算我們可以發(fā)展，作為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，激光切割石油篩管時(shí)，當(dāng)激光光束以均勻的速度保持恒定功率進(jìn)行切割時(shí)，在剛開始的1秒內(nèi)，管材的整體溫度場(chǎng)極不穩(wěn)定，0.4秒時(shí)為最高溫度1438℃；0.67秒時(shí)1465℃；0.91秒時(shí)溫度為1470℃。在1秒至2.2秒的時(shí)間內(nèi)，激光光束與石油篩管切割處的最高溫度逐漸降低，趨于平穩(wěn)，最終保持在14621℃。在2.2秒之后，如果激光光束繼續(xù)進(jìn)行切割，經(jīng)過計(jì)算得知，切割溫度在14621℃的數(shù)值向前推移。意思是當(dāng)激光光束切割時(shí)間超過1秒之后，整體溫度場(chǎng)就已經(jīng)進(jìn)入了飽和狀態(tài)，形成了相對(duì)溫度的高溫區(qū)。高溫區(qū)的溫度場(chǎng)與熱源的移動(dòng)保持同樣的移動(dòng)速度。當(dāng)2.2秒之后，激光光束停止切割，這時(shí)候石油管材的溫度持續(xù)下降，待冷卻1分鐘之后，管材的溫度達(dá)到周邊實(shí)際溫度20℃。

2.2某一固定點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線

在進(jìn)行管材溫度變化情況時(shí)，隨意選取A、B兩點(diǎn)進(jìn)行，激光剛開始切割時(shí)經(jīng)過的第一個(gè)切割面節(jié)點(diǎn)為A點(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn)，A點(diǎn)在激光高速集中的熱源作用下，加熱速度非?？?，這就意味著，在極短的時(shí)間內(nèi)，管材吸收了大量的熱能。當(dāng)A點(diǎn)與激光熱源不斷接近時(shí)，其溫度在0.4秒內(nèi)就迅速上升到1436℃，而當(dāng)激光熱源遠(yuǎn)離時(shí)，S溫度在5秒之內(nèi)就降為200℃。1分鐘之后，管材時(shí)間溫度與環(huán)境溫度相同。B點(diǎn)選擇在距離A點(diǎn)5厘米的地方，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，B點(diǎn)的最高溫度只有230℃多，這表示激光切割的實(shí)際熱影響區(qū)域并不大，而且隨著時(shí)間的變化，管材的實(shí)際溫度在1分鐘之內(nèi)就會(huì)與環(huán)境溫度相同。

2.3沿切割方向上的表面溫度分布特征

經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)計(jì)算，我們可以得出，剛激光光束剛剛開始進(jìn)行管材切割時(shí)，管材表面溫度場(chǎng)顯示非穩(wěn)態(tài)。距離切割方向1厘米的地方比距離切割方向0.5厘米的地區(qū)溫度下降23℃。當(dāng)激光光束的切割時(shí)間在1分鐘時(shí)，熱源處管材表面溫度變化趨于相似，都是從20℃迅速上升，最后到達(dá)超過融合溫度的1470℃。在實(shí)際變化上，二者之間相差0.3秒的延遲時(shí)間。在空間上看，二者沿著切割方向平移5mm得到的，這說明了激光切割過程是一種準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的過程。

3.結(jié)語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在激光切割石油篩管時(shí)，激光熱源所形成的熱影響區(qū)很小，而且溫度區(qū)內(nèi)的溫度不隨時(shí)問變化。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)掌握了激光切割石油割縫管中的傳熱問題，這對(duì)于激光切割過程中優(yōu)化工藝參數(shù)有著重要依據(jù)，有利于保障石油篩管質(zhì)量，進(jìn)而保障石油鉆采作業(yè)的順利進(jìn)行。

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