試論壓縮式封隔器膠筒變形階段力學(xué)分析

陳紅文

（阜寧縣宏達(dá)石化機(jī)械有限公司224400）

試論壓縮式封隔器膠筒變形階段力學(xué)分析

陳紅文

（阜寧縣宏達(dá)石化機(jī)械有限公司224400）

本文將壓縮式封隔器膠筒變形分為自由變形和約束變形兩個階段，分別進(jìn)行力學(xué)特征及性能分析，在此基礎(chǔ)上對膠筒的強(qiáng)度進(jìn)行分析，希望通過本文的研究能夠得到合理的設(shè)計(jì)壓差等相關(guān)數(shù)據(jù)，為后期設(shè)計(jì)封隔器，確定相關(guān)尺寸提供參考。

壓縮式封隔器；膠筒；自由變形；約束變形

1 引言

封隔器是一種常用的井下作業(yè)工具，主要用于試采，而整個封隔器最主要的部件就是膠筒。在使用封隔器的過程中，膠筒會在壓縮載荷的作用下出現(xiàn)軸向壓縮變形，于此同時(shí)會在徑向形成膨脹，進(jìn)而使井壁各封隔管柱之間形成環(huán)空，可以說封隔器膠筒運(yùn)行是否正常對于施工的成敗起到?jīng)Q定性的作用，也影響到施工的安全。因此在現(xiàn)階段加強(qiáng)對于壓縮式封隔器膠筒變形階段的力學(xué)特征進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 自由變形階段膠筒力學(xué)特征分析

壓縮式封隔器膠筒變形是分階段完成的，而且在不同的階段會呈現(xiàn)不同的力學(xué)特征，根據(jù)變形特征的不同一般可將膠筒變形分為自由變形和約束變形兩個階段。具體根據(jù)膠筒外壁和套筒內(nèi)部是否接觸進(jìn)行劃分。當(dāng)套筒內(nèi)半徑Rt≥膠筒外半徑Rj時(shí)，處于自由變形階段，膠筒的變形主要受到軸向機(jī)械力作用，膠筒變形與應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的線性變化關(guān)系。

3 膠筒約束變形階段的力學(xué)性能分析

壓縮式封隔器膠筒力學(xué)性能的分析需要充分結(jié)合膠筒的變形機(jī)制，只有以封隔器膠筒變形為切入點(diǎn)來分析才能全面分析研究封隔器膠筒的受力狀態(tài)，進(jìn)一步分析其工作強(qiáng)度，從而為初期的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)膠筒外半徑Rt＞套筒內(nèi)半徑Rj時(shí)，套筒的內(nèi)壁就與膠筒的外壁發(fā)生直接接觸，并出現(xiàn)作用，封隔器的中心管會對膠筒的變形產(chǎn)生約束。此時(shí)，膠筒的變形就進(jìn)入約束變形階段，一方面受到軸向機(jī)械壓力的壓縮作用，另一方面受到來自接觸產(chǎn)生的分布力和摩擦力作用。而且膠筒是使用特殊材料制作的，當(dāng)受到壓縮力作用時(shí)，其體積會相應(yīng)發(fā)生變化，應(yīng)力也隨之變化。為了便于對約束變形階段的受力情況進(jìn)行分析，這里主要研究膠筒的軸向受力情況，假設(shè)在約束變形階段膠筒軸向受力為Fz，那么Fz=Ft+Ff。其中Ft表示在膠筒變形受到約束時(shí)承受的彈性作用力，F(xiàn)f表示的是膠筒受到的庫倫摩擦力。

彈性作用力Ft主要可以分為兩部分：①自由變形與約束變形轉(zhuǎn)變階段的壓力F1，②變形時(shí)產(chǎn)生的彈性力Ft2，F(xiàn)t2的大小與膠筒變形程度相關(guān)。

其中右側(cè)的三部分分別表示在Ft2的作用下，軸向、徑向和周向應(yīng)變。由于變形過程中，套筒壁會對膠筒產(chǎn)生一定的約束，軸向、徑向體積應(yīng)變都為零。所以，總的體積應(yīng)變只包括周向應(yīng)變一部分。

其中右側(cè)三部分分別表示在Ft2作用下，膠筒承受的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力。

而由于壓縮式封隔器的特殊構(gòu)造，膠筒受到的徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力都與膠筒受到的接觸分布力相等，假設(shè)接觸分布力為P，則結(jié)合彈性力學(xué)厚壁筒理論，公式中的Uz表示的是在Ft2的作用下，封隔器的膠筒在軸向發(fā)生的位移。

根據(jù)約束變形的實(shí)際特點(diǎn)，一般將膠筒在約束變形階段受到的軸向應(yīng)力和接觸分布力看作均勻分布。所以：

其中f1、f2分別表示膠筒與套筒壁和與封隔器中心管之間的摩擦系數(shù)。

4 膠筒的強(qiáng)度分析

為了有效保證封隔器膠筒的正常使用，需要對膠筒的強(qiáng)度進(jìn)行校核，分析器安全性，從而為有效延長膠筒的使用壽命提供相應(yīng)的參考。

由于膠筒受到三個方向上應(yīng)力的作用，因此應(yīng)利用第四強(qiáng)度理論，最終整理得到，膠筒在約束變形階段承受的合成應(yīng)力為：

4.1 不考慮工作壓差

上文分析可知，壓縮式封隔器膠筒在約束變形階段會受到來自套筒和中心管兩方面的約束，而徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力都與接觸分布力P相等。假設(shè)在約束變形階段受到的軸向應(yīng)力為σz，則總軸向力：

此時(shí)膠筒承受的合成應(yīng)力為：

4.2 考慮工作壓差

如果綜合考慮到工作壓差，膠筒的極限壓力就是膠筒強(qiáng)度校核使用的軸向應(yīng)力，此時(shí)的合成應(yīng)力為：

當(dāng)滿足以上條件時(shí)，膠筒在標(biāo)準(zhǔn)載荷下工作，封隔器的膠筒時(shí)安全的，如果工作載荷不滿足以上條件，就會對膠筒、封隔器的使用造成影響，甚至?xí)l(fā)生事故。一般情況下采用最后的公式進(jìn)行強(qiáng)度校核，能夠有效確保膠筒適應(yīng)于大部分的壓差狀態(tài)，從而為更好的使用封隔器進(jìn)行指導(dǎo)。

5 結(jié)論

未來隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，壓縮式封隔器的使用會更加普遍，性能要求也會更加嚴(yán)格，因此在現(xiàn)階段，機(jī)械行業(yè)人員要加強(qiáng)關(guān)于壓縮式封隔器尤其是膠筒變形的研究，分析變形力學(xué)特征，掌握變形規(guī)律，在設(shè)計(jì)初期充分考慮實(shí)際變形情況，選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，確保壓縮式封隔器能夠更好的滿足各種不同狀況下的工作需求。

[1]李旭，竇益華.壓縮式封隔器膠筒變形階段力學(xué)分析[J].石油礦場機(jī)械，2007，36（10）：17～19.

[2]張勁，李煒，張士誠，等.封隔器超彈性膠筒力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（8）：71～76.

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2016-10-9