大容量連續(xù)油管滾筒的研究

□ 楊曉剛 張 偉 □ 張小龍 □ 武衛(wèi)衛(wèi) □ 郭 冬

1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

1 研究背景

自第一臺(tái)連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備問世以來,連續(xù)油管技術(shù)和連續(xù)油管作業(yè)機(jī)至今已有50多年歷史,國內(nèi)開展連續(xù)油管技術(shù)與裝備的研究、開發(fā)也有近30年時(shí)間。連續(xù)油管技術(shù)具有很多優(yōu)勢,幾乎應(yīng)用于勘探開發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域,由此,連續(xù)油管作業(yè)機(jī)被稱為萬能作業(yè)機(jī)[1-2]。連續(xù)油管滾筒作為連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的一個(gè)核心設(shè)備,在連續(xù)油管作業(yè)機(jī)作業(yè)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

連續(xù)油管滾筒的主要功能是儲(chǔ)存和運(yùn)輸連續(xù)油管,目前的研究發(fā)展方向有兩個(gè),一個(gè)是在現(xiàn)有運(yùn)輸條件下增大連續(xù)油管滾筒的容量,另一個(gè)是在連續(xù)油管滾筒容量一定的條件下優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。由于道路運(yùn)輸和車輛行駛等條件的限制,連續(xù)油管滾筒的設(shè)計(jì)有很多困難。目前,連續(xù)油管滾筒有的采用整體下沉式結(jié)構(gòu)[3],也有的采用升降式結(jié)構(gòu)[4],這些設(shè)計(jì)都是從滾筒筒體的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮的。筆者從滾筒筒體自身結(jié)構(gòu)出發(fā),設(shè)計(jì)了一種橢圓形滾筒來增大容量。

2 主體結(jié)構(gòu)

以直徑50.8 mm、壁厚3.2 mm的連續(xù)油管為例,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6761—2014 《連續(xù)管作業(yè)機(jī)》和SY/T 6698—2007 《油氣井用連續(xù)管作業(yè)推薦作法》的要求,連續(xù)油管滾筒筒體中心半徑至少應(yīng)為連續(xù)油管直徑的20倍,所以滾筒筒體內(nèi)徑為2 030 mm。傳統(tǒng)圓形滾筒和新型橢圓形滾筒主體結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

▲圖1 圓形滾筒主體結(jié)構(gòu)

▲圖2 橢圓形滾筒主體結(jié)構(gòu)

以半掛車為承載工具,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23336—2009 《半掛車通用技術(shù)條件》要求,滾筒運(yùn)輸時(shí)離地距離不小于320 mm。

橢圓形滾筒運(yùn)輸時(shí),長軸保持水平,短軸與地面保持豎直,這樣既可以保證滾筒容量,又能夠解決滾筒運(yùn)輸高度的限制。

橢圓形滾筒和圓形滾筒運(yùn)輸、工作狀態(tài)如圖3～圖5所示。

▲圖4 橢圓形滾筒工作狀態(tài)

▲圖5 圓形滾筒運(yùn)輸和工作狀態(tài)

3 容量

兩種連續(xù)油管滾筒筒體外形尺寸基本相當(dāng),對于直徑為50.8 mm的連續(xù)油管而言,橢圓形滾筒最大容量為5 800 m,比圓形滾筒大700 m[5]。

4 模態(tài)分析

模態(tài)分析作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析、故障診斷和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的重要手段,是系統(tǒng)辨別方法在振動(dòng)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。模態(tài)分析主要用于求解結(jié)構(gòu)的各階模態(tài),包括固有頻率、阻尼比及振型,目的是避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。由彈性力學(xué)有限元法,可知模態(tài)分析的控制方程為:

(1)

若無外力作用,令式(1)中F(t)為0,則得到系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程。在求解自由振動(dòng)的固有頻率和振型時(shí),阻尼的影響不大,因此阻尼項(xiàng)可以忽略,則無阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

(2)

其對應(yīng)的特征方程為:

(3)

式中:ωi為系統(tǒng)第i階模態(tài)的固有頻率。

這種結(jié)構(gòu)振動(dòng)可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合,其中低階振型對結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較大,對結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起主導(dǎo)作用[6]。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,一般取前五階至前十階固有頻率和振型,基本可以滿足精度要求[7-9]。

滾筒材料選用Q345鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。選用SOLID187十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元對滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由劃分網(wǎng)格。

對高速旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行固有頻率分析,必須考慮非線性模態(tài)分析[10]。由于連續(xù)油管滾筒工作旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速一般不高于15 r/min,低速旋轉(zhuǎn)工況下可以忽略非線性影響,因此按靜態(tài)工況求解振動(dòng)模態(tài)完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圓形滾筒前六階振型如圖6～圖11所示,橢圓形滾筒前六階振型如圖12～圖17所示,兩種滾筒前十階固有頻率、振型和最大振幅見表1,兩種滾筒前十階固有頻率和最大振幅對比分別如圖18、圖19所示。

▲圖6 圓形滾筒一階振型

▲圖7 圓形滾筒二階振型

▲圖8 圓形滾筒三階振型

▲圖9 圓形滾筒四階振型

▲圖10 圓形滾筒五階振型

▲圖11 圓形滾筒六階振型

▲圖12 橢圓形滾筒一階振型

▲圖13 橢圓形滾筒二階振型

▲圖14 橢圓形滾筒三階振型

▲圖15 橢圓形滾筒四階振型

▲圖16 橢圓形滾筒五階振型

▲圖17 橢圓形滾筒六階振型

由表1和圖18、圖19可以看出,橢圓形滾筒前十階固有頻率為14～30 Hz,最大振幅平均值為2.173 mm;圓形滾筒前十階固有頻率為20～50 Hz,最大振幅平均值為3.072 mm。相比圓形滾筒,橢圓形滾筒前十階固有頻率有所降低。

表1 滾筒前十階固有頻率、振型和最大振幅

▲圖18 滾筒前十階固有頻率對比

▲圖19 滾筒前十階最大振幅對比

5 結(jié)束語

在兩種連續(xù)油管滾筒筒體外形尺寸相同的條件下,橢圓形滾筒最大容量比圓形滾筒大。如果選用的連續(xù)油管外徑小,那么橢圓形滾筒比圓形滾筒在容量方面的優(yōu)勢更加明顯,因此采用橢圓形滾筒對于增大滾筒容量而言是一種簡單有效的途徑。

滾筒驅(qū)動(dòng)力取自承載車動(dòng)力,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率一般為25～35 Hz。橢圓形滾筒的低階振動(dòng)頻率范圍相比圓形滾筒更為遠(yuǎn)離柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率,這對于滾筒運(yùn)輸和工作狀況都是有利的。與圓形滾筒相比,橢圓形滾筒的各階振型變化不大,最大振幅也較小,可見橢圓形滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

在道路運(yùn)輸和車輛行駛條件限制,滾筒容量一定的條件下,采用橢圓形滾筒可以使?jié)L筒總體尺寸更小,結(jié)構(gòu)更加緊湊,且更加方便運(yùn)輸與吊裝,這為后續(xù)連續(xù)油管滾筒的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)和參考。