連續(xù)管與夾持塊干涉的應(yīng)力應(yīng)變分析

周志宏，彭雄文

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

連續(xù)管在使用過程中，出現(xiàn)了如圖1所示的連續(xù)管拉斷現(xiàn)象。分析表明，這種拉斷既不是違規(guī)操作引起的，也不是在連續(xù)管剛出井口時最大拉伸力時產(chǎn)生的，因?yàn)榫谟涗浀墓苤d荷沒有出現(xiàn)拉伸超載的現(xiàn)象。另外，假如是在注入頭以下的井口拉斷，井口以下的連續(xù)管必然掉入井中，造成重大事故。因此，推斷這種拉斷是在注入頭以上形成的。

圖1 連續(xù)管拉斷圖片

在作業(yè)時，連續(xù)管是依靠與鏈條上安裝夾持塊的摩擦力，通過鏈條傳動將連續(xù)管提出或注入井中，所以夾持塊和連續(xù)管的接觸狀況非常重要。國內(nèi)一些學(xué)者對夾持塊和連續(xù)管的接觸問題進(jìn)行了研究。2011年蔣發(fā)光等[1]建立了連續(xù)管夾持塊載荷與邊界有限元模型，得出了連續(xù)管最大應(yīng)力隨夾持塊夾持直徑變化的趨勢，并對管-塊夾持等效正壓力進(jìn)行了計(jì)算。2013年許立等[2]利用ADAMS 對注入頭鏈條滾子質(zhì)心和浮動壓板鉸接孔處的載荷變化規(guī)律進(jìn)行了研究，找到了鏈條滾子和浮動壓板各自最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置及原因。2015年張宏等[3]對注入頭夾緊系統(tǒng)的載荷均布進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對夾持塊的各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。2015年施志輝等[4]對注入頭的管塊夾持模型進(jìn)行了研究，通過有限元分析，得出具有圓弧形結(jié)構(gòu)、溝槽型夾持面的夾持塊夾持效果較好。上述文獻(xiàn)研究了夾持塊與油管之間的載荷分布和參數(shù)的關(guān)系，對夾持塊和油管的干涉并未作討論。2012年任潤等[5]利用Matlab對夾持塊與油管之間的切入角進(jìn)行了優(yōu)化，得出了夾持塊與油管不干涉的最優(yōu)切入角，但未討論連續(xù)管在什么情況下干涉以及如何影響連續(xù)管損傷的問題。筆者用有限元方法分析連續(xù)管-夾持塊系統(tǒng)在切出時的干涉現(xiàn)象，提出一種連續(xù)管失效可能的原因，為避免連續(xù)管這種類型的過早失效提供理論基礎(chǔ)。

1 連續(xù)管-夾持塊系統(tǒng)分析

1.1 連續(xù)管夾持塊類型與結(jié)構(gòu)

圖2 單雙節(jié)距夾持塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 連續(xù)管夾持塊切出時示意圖

圖4 夾持塊轉(zhuǎn)動后連續(xù)管的Mises應(yīng)變

夾持塊是一塊有半圓弧面的零件，依靠半圓弧面與連續(xù)管的外壁接觸提供摩擦力。接觸力越大，摩擦力越大。接觸力又與接觸壓力以及接觸面的大小有關(guān)：在一定的摩擦力和摩擦系數(shù)的情況下，接觸面越大，需要的接觸壓力越小，對連續(xù)管的損傷也越小。夾持塊的長度受鏈條節(jié)距的影響，常見的夾持塊有單節(jié)距夾持塊和雙節(jié)距夾持塊2種。夾持塊的長度小于1個鏈節(jié)的，稱為單節(jié)距夾持塊；夾持塊的長度大于1個鏈節(jié)、小于2個鏈節(jié)的稱為雙節(jié)距夾持塊。顯然，單節(jié)距夾持塊比雙節(jié)距夾持塊繞任意一個銷軸轉(zhuǎn)動對夾持塊端部的影響要小。

1.2 連續(xù)管夾持塊切出角

連續(xù)管作業(yè)機(jī)運(yùn)行時，連續(xù)管注入頭負(fù)責(zé)將連續(xù)管安全地送入井中，以及將連續(xù)管從井中順利起出。動力由電動機(jī)帶動鏈輪鏈條傳動，在鏈條上安裝的夾持塊夾持油管，提供必要的摩擦力使油管運(yùn)動。為保證有足夠的摩擦力提升連續(xù)管，在夾持塊和連續(xù)管之間有夾緊力，夾緊力通過壓板或滑輪組實(shí)現(xiàn)。為保證鏈條的傳動，還必須利用張緊油缸對整個鏈條進(jìn)行張緊。對于單節(jié)距夾持塊，鏈條傳動是一個鏈節(jié)作為剛體運(yùn)動；如果是雙節(jié)距夾持塊，夾持塊繞銷軸作剛體運(yùn)動。在進(jìn)入夾緊連續(xù)管和離開夾緊連續(xù)管時鏈節(jié)會繞一個銷軸發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動會帶來一定的干涉(圖2)。

圖3中的夾持塊為兩個鏈節(jié)的，即夾持塊的長度大于一個鏈節(jié)。從橢圓圈出的部分可以看出，在夾持塊切出時，夾持塊的轉(zhuǎn)動在垂直于油管軸線的面上會侵入連續(xù)管，而在油管的軸線方向，夾持塊端部會有一個較大的位移，這兩者組合起來會對連續(xù)管的應(yīng)力應(yīng)變起較大作用。雙節(jié)距夾持塊的這種現(xiàn)象尤為明顯。夾持塊端部切入切出的干涉會引起連續(xù)管應(yīng)力應(yīng)變的變化，有可能造成連續(xù)管表面損傷或引起連續(xù)管的疲勞破壞甚至拉斷。

2 夾持塊應(yīng)力應(yīng)變分析

有限元計(jì)算方法：假設(shè)有2個夾持塊，2個夾持塊同時加上夾持力，再將1個夾持塊繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。根據(jù)對稱性，只需建立1/4模型，先在夾持塊后端加上面載荷使其面總載荷為夾持力的1/4。

以雙節(jié)距夾持塊為例進(jìn)行分析，假定鏈條的節(jié)距為50.8mm，x=60mm，h=20mm；假定單個夾持塊載荷為45kN；如果1個夾持塊轉(zhuǎn)動2°，油管的Mises應(yīng)變?nèi)鐖D4所示?？梢钥闯?，在干涉部位，連續(xù)管的Mises應(yīng)變達(dá)到接近0.03，這個應(yīng)變值可能使連續(xù)管的損傷大大加速，如果在連續(xù)管的某個深度反復(fù)起升與注入，勢必在這個區(qū)域反復(fù)產(chǎn)生高應(yīng)變循環(huán)，連續(xù)管就會很快斷裂。

假定h=15mm，夾持塊在繞鏈節(jié)轉(zhuǎn)動時，連續(xù)管軸線距鏈節(jié)轉(zhuǎn)動中心距離x的影響如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)x= 55mm時，應(yīng)變?yōu)?.0243，隨著x的增大，最大應(yīng)變減??；當(dāng)x= 95mm時，應(yīng)變?yōu)?.0227。

假定x=60mm，連續(xù)管最大應(yīng)變與夾持塊端部距轉(zhuǎn)動中心的軸線方向距離h的關(guān)系如圖6所示。顯示了切入切出角度α為1°和2°時最大應(yīng)變與夾持塊端部到鏈節(jié)轉(zhuǎn)動中心軸向距離h的關(guān)系。隨著h的增加，最大應(yīng)變增加。當(dāng)切出角2°，h=5mm時，最大應(yīng)變僅為0.00313；當(dāng)h=20mm，切出角同樣為2°時,最大應(yīng)變?yōu)?.0359。當(dāng)h=20mm，切出角度由2°下降到1°時，最大應(yīng)變降低到原來的41%，約0.0148。

圖5 連續(xù)管最大應(yīng)變與夾持塊鏈節(jié)轉(zhuǎn)動中心和連續(xù)管軸線距離x的關(guān)系 圖6 連續(xù)管最大應(yīng)變與夾持塊端部距轉(zhuǎn)動中心的軸線方向距離h的關(guān)系

3 實(shí)例分析

某連續(xù)管作業(yè)機(jī)的注入頭在沒安裝夾持塊之前如圖7(a)所示，安裝了夾持塊后注入頭底部夾持塊的切入如圖7(b)所示。

經(jīng)測量，該注入頭參數(shù)h= 20mm，x= 60mm，α= 1.7°，插值可得最大應(yīng)變?yōu)?.029，比連續(xù)管彎曲時的軸向應(yīng)變(0.016)要大，反復(fù)的加載、卸載可能導(dǎo)致比彎曲疲勞更快的失效。

如果在較大的內(nèi)壓作用下，連續(xù)管在彎曲和拉直時會發(fā)生直徑增長，按連續(xù)管的直徑限制，最大可增長5%，在該情況下，連續(xù)管與夾持塊的接觸點(diǎn)發(fā)生變化，切入切出角α′也將變大，如圖8所示，更容易引起連續(xù)管的咬傷、疲勞和拉斷。

圖8 連續(xù)管直徑增長后切出角變化示意圖

4 結(jié)論

1)分析了雙節(jié)距的連續(xù)管夾持塊在切出過程中夾持塊與連續(xù)管之間的干涉所產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)夾持塊端部可能會侵入連續(xù)管而且會產(chǎn)生較大的端部軸向位移。切出角比較大時，在連續(xù)管中會有較大的應(yīng)變，應(yīng)變將加速連續(xù)管的疲勞破壞甚至將連續(xù)管拉斷。

2)建議連續(xù)管夾持塊采用單節(jié)距；若采用雙節(jié)距夾持塊時，切入切出角應(yīng)不大于1°；連續(xù)管工作時，嚴(yán)格監(jiān)測連續(xù)管的直徑變化，采取措施，防止連續(xù)管發(fā)生表面咬傷。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣發(fā)光，梁政，張梁，等.連續(xù)油管注入頭管-塊配合研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，33( 1) : 161～164.

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[4] 施志輝，張真真，許立. 注入頭管塊夾持提升系統(tǒng)受力及結(jié)構(gòu)分析[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(5):38～41.

[5] 任潤，劉寶娣. 連續(xù)油管作業(yè)機(jī)注入頭切入角分析研究[J]. 機(jī)械工程師, 2012，44(6):88～89.