675型泥漿脈沖器短節(jié)應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

王智明

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

0 引言

鉆柱是一種重要的井下作業(yè)工具，具有若干功能不同的功能短節(jié)，工作過(guò)程中鉆柱完成井下的巖石破碎并將巖石碎屑等帶到地面。在井眼中，尤其在造斜階段，鉆柱的各功能短節(jié)會(huì)同時(shí)承受多種載荷，包括內(nèi)外壓、軸向載荷、彎曲載荷和扭矩載荷等。在復(fù)合載荷共同作用的極限工況下，不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易導(dǎo)致鉆柱的功能短節(jié)出現(xiàn)強(qiáng)度方面的問(wèn)題，易引發(fā)疲勞失效［1-3］，失效風(fēng)險(xiǎn)較高的位置包括鉆鋌螺紋連接處、截面變化區(qū)域及表面的開孔結(jié)構(gòu)處等，圖1為675型儀器串的泥漿脈沖器短節(jié)鉆鋌在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。

圖1 675儀器串泥漿脈沖器短節(jié)裂紋Fig.1 Cracks in the mud pulser sub in Type 675 instrument string

對(duì)于鉆柱易出現(xiàn)疲勞失效位置的應(yīng)力集中問(wèn)題，馮少波等［4］對(duì)鉆桿加厚過(guò)渡帶處幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力集中的影響進(jìn)行了對(duì)比研究。傅建欽等［5］同樣討論了鉆桿加厚過(guò)渡帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)過(guò)渡帶低應(yīng)力集中設(shè)計(jì)的基本條件。閆鐵等［6］根據(jù)彈性力學(xué)理論建立了螺紋載荷計(jì)算模型，分析了鉆鋌螺紋的載荷分布規(guī)律，提出了減少鉆鋌接頭應(yīng)力集中的方法。陶世軍等［7］對(duì)鉆鋌的螺紋連接處進(jìn)行了有限元分析，提出了鉆鋌螺紋結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，并對(duì)各方案進(jìn)行了對(duì)比分析。以上研究均針對(duì)鉆桿加厚過(guò)渡帶處及鉆鋌螺紋處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，目前對(duì)鉆桿加厚過(guò)渡帶處及鉆鋌螺紋處的應(yīng)力集中問(wèn)題已經(jīng)有了比較廣泛的研究，相比之下，對(duì)于鉆柱功能短節(jié)開孔結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問(wèn)題開展的相關(guān)研究還比較少。

675型儀器串泥漿脈沖器短節(jié)設(shè)計(jì)排量1.4～2.5 m3/min，儀器外徑7 in（177.8 mm），長(zhǎng)度6.5 m，設(shè)計(jì)狗腿度8°/30 m（旋轉(zhuǎn)），15°/30 m（不旋轉(zhuǎn)），由上導(dǎo)流頭、大功率渦發(fā)、渦發(fā)流道轉(zhuǎn)換接頭、整流穩(wěn)壓電路、電子骨架、驅(qū)動(dòng)控制電路、脈沖器流道轉(zhuǎn)換接頭、泥漿脈沖器、下導(dǎo)流頭等組成。電路板部分采用抱筒式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)原則為：流體通道過(guò)渡平滑，盡可能減小渦流產(chǎn)生，壓降最??；短節(jié)最短，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 675型儀器串泥漿脈沖器短節(jié)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the mud pulser sub in Type 675 instrument string

675型儀器串的泥漿脈沖器短節(jié)具有多處開孔結(jié)構(gòu)，開孔結(jié)構(gòu)會(huì)削弱容器壁強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致在開孔附近形成應(yīng)力集中。隨著孔徑的增大，集中現(xiàn)象也會(huì)越嚴(yán)重，其峰值應(yīng)力通常達(dá)到容器壁中基本應(yīng)力的數(shù)倍，且不同形式的開孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)不同，圓筒殼上的開孔結(jié)構(gòu)危害比球殼開孔更大［8-9］。此外，對(duì)于存在多個(gè)開孔結(jié)構(gòu)的設(shè)備，開孔間的距離也會(huì)改變薄弱區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)［10］。通過(guò)實(shí)驗(yàn)或有限元法等方法可獲取開孔或開槽區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)以評(píng)估開孔結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備強(qiáng)度產(chǎn)生的影響［11-13］?？紤]到開孔結(jié)構(gòu)對(duì)功能短節(jié)可靠性產(chǎn)生的危害，需對(duì)功能短節(jié)進(jìn)行有限元分析，重點(diǎn)關(guān)注開孔區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，得到最大應(yīng)力的位置及數(shù)值，校驗(yàn)結(jié)構(gòu)的合理性，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

本文基于675型儀器串泥漿脈沖器短節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立了有限元模型，對(duì)泥漿脈沖器短節(jié)在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況進(jìn)行了模擬，通過(guò)有限元分析確定了泥漿脈沖器短節(jié)結(jié)構(gòu)中的薄弱位置，并針對(duì)薄弱位置提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議，以期為此類功能短節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 模型簡(jiǎn)化

675型儀器串的泥漿脈沖器短節(jié)模型如圖3所示，泥漿脈沖器短節(jié)總長(zhǎng)7000 mm，外徑為177.8 mm，外部主體包括鉆鋌、電子骨架、抱筒、銅環(huán)以及雙公，內(nèi)部還包括導(dǎo)流頭、渦發(fā)、渦發(fā)流道轉(zhuǎn)換接頭、長(zhǎng)硬連接頭及電路板等。

圖3 675型儀器串泥漿脈沖器短節(jié)模型Fig.3 Model of the mud pulser sub in Type 675 instrument string

泥漿脈沖器短節(jié)的兩側(cè)鉆鋌具有開孔結(jié)構(gòu)，鉆鋌在軸向上各處厚度不同，在鉆鋌38.4 mm厚度處有導(dǎo)流頭蓋板槽及走線蓋板槽，前者長(zhǎng)、寬分別為130 mm和85 mm，后者長(zhǎng)、寬為66 mm和49 mm。電子骨架臺(tái)肩面處有2個(gè)七心數(shù)據(jù)口和1個(gè)9 pin數(shù)據(jù)口，其中七心數(shù)據(jù)口的最大直徑和最大深度都為50 mm，9 pin數(shù)據(jù)口為最大直徑40.5 mm的階梯型通孔。鉆鋌及電子骨架臺(tái)肩面處開孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鉆鋌及電子骨架開孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Openings in the drill collar and the electronic framework

基于壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況特點(diǎn)，對(duì)泥漿脈沖器短節(jié)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。泥漿脈沖器短節(jié)在井下實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，外界的復(fù)合載荷主要施加在外部艙體結(jié)構(gòu)，因此去除泥漿脈沖器短節(jié)內(nèi)部不起支承作用的結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)流頭、渦發(fā)、渦發(fā)流道轉(zhuǎn)換接頭和長(zhǎng)硬連接頭等。有限元分析中保留的部分包括鉆鋌、電子骨架、抱筒、銅環(huán)以及雙公，針對(duì)保留部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化掉對(duì)應(yīng)力結(jié)果影響較小的幾何特征。

通過(guò)對(duì)泥漿脈沖器短節(jié)的結(jié)構(gòu)分析，由于鉆鋌與電子骨架具有開孔結(jié)構(gòu)及變徑結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在模型簡(jiǎn)化過(guò)程中，需著重考慮鉆鋌與電子骨架的模型簡(jiǎn)化。由于開孔結(jié)構(gòu)及截面變化區(qū)域的應(yīng)力分布為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，且在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下，結(jié)構(gòu)中內(nèi)角倒角及圓角易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化時(shí)可簡(jiǎn)化掉對(duì)關(guān)鍵位置應(yīng)力結(jié)果影響很小的特征。鉆鋌與電子骨架的主要簡(jiǎn)化處理如圖5、圖6所示，鉆鋌模型主要簡(jiǎn)化端部及內(nèi)部流道的外角倒角和外角圓角，電子骨架模型主要簡(jiǎn)化小尺寸的外角倒角及外角圓角。

圖5 鉆鋌模型簡(jiǎn)化Fig.5 Simplification of the drill collar model

圖6 電子骨架模型簡(jiǎn)化Fig.6 Simplification of the electronic framework model

1.2 網(wǎng)格劃分

由于泥漿脈沖器短節(jié)模型的部分位置幾何特征復(fù)雜，且在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下，局部位置會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力變化梯度，對(duì)泥漿脈沖器短節(jié)的不同位置采取不同的網(wǎng)格劃分方法，在關(guān)鍵位置劃分較為密集的網(wǎng)格，應(yīng)力變化梯度較小的位置則劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格，在保持較高計(jì)算精度的同時(shí)降低計(jì)算成本。進(jìn)行泥漿脈沖器短節(jié)模型的網(wǎng)格劃分時(shí)，主要采用SOLID186以及SOLID187單元，共劃分2015393個(gè)單元，其中鉆鋌和電子骨架具有較多易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的位置，需重點(diǎn)對(duì)這兩部分進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格細(xì)化處理。

鉆鋌網(wǎng)格劃分情況如圖7所示，由于在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下，鉆鋌的導(dǎo)流蓋板槽及走線蓋板槽等位置易出現(xiàn)較大的應(yīng)力變化梯度，對(duì)2個(gè)孔槽內(nèi)的平面、圓角、螺紋孔倒角及鉆鋌內(nèi)壁變徑處圓角等位置進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。

圖7 鉆鋌網(wǎng)格模型Fig.7 Mesh model of the drill collar

電子骨架網(wǎng)格劃分情況如圖8所示，考慮到電子骨架存在多個(gè)孔槽結(jié)構(gòu)，且孔槽內(nèi)幾何特征復(fù)雜，采用影響球命令對(duì)骨架中部七心數(shù)據(jù)口及9pin數(shù)據(jù)口的位置網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，同時(shí)對(duì)電子骨架兩側(cè)的電路板安裝面及該區(qū)域圓角進(jìn)行局部加密。

圖8 電子骨架網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model of the electronic framework

為得到可靠的有限元仿真結(jié)果，需確保所劃分網(wǎng)格具有較高質(zhì)量。利用有限元分析軟件協(xié)同仿真環(huán)境中單元質(zhì)量選項(xiàng)下的網(wǎng)格質(zhì)量命令可以查看網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0至1之間的數(shù)值，數(shù)值越接近1則網(wǎng)格質(zhì)量越高。使用該命令可知，泥漿脈沖器短節(jié)模型所劃分網(wǎng)格的平均質(zhì)量為0.79104，可用于后續(xù)分析。

1.3 邊界條件的確定

在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下，泥漿脈沖器短節(jié)承受壓力載荷為200 kN，扭矩載荷為20000 N·m，彎曲狗腿度為12°/30 m。對(duì)于彎曲載荷，通過(guò)計(jì)算在該狗腿度下泥漿脈沖器短節(jié)產(chǎn)生的最大彎曲撓度進(jìn)行等效加載。通過(guò)計(jì)算，在上述狗腿度下泥漿脈沖器短節(jié)產(chǎn)生的最大撓度為42.77 mm，通過(guò)對(duì)模型兩側(cè)的工裝施加作用力，使泥漿脈沖器短節(jié)達(dá)到相同的撓度，以模擬泥漿脈沖器短節(jié)受彎的情況。

壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下的邊界條件如圖9所示，泥漿脈沖器短節(jié)頭部工裝釋放繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、沿X軸移動(dòng)自由度和繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，底部工裝釋放繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，頭部和底部工裝施加向上的等大拉力，使泥漿脈沖器短節(jié)中部產(chǎn)生42.77 mm的變形量，以模擬彎曲變形，同時(shí)在頭部施加該工況下對(duì)應(yīng)的壓力載荷及扭矩載荷。

圖9 壓彎扭組合載荷作用邊界條件Fig.9 Boundary conditions of combined compression,bend and torsion load

2 關(guān)鍵位置應(yīng)力評(píng)價(jià)

鉆柱的過(guò)度變形、過(guò)載斷裂及疲勞斷裂是較為常見的事故［14-15］，其中過(guò)度變形及過(guò)載斷裂等事故多出現(xiàn)在復(fù)合載荷共同作用下的極限工況，針對(duì)此類問(wèn)題，需對(duì)儀器串在極限工況下的強(qiáng)度進(jìn)行校核，而對(duì)于疲勞失效問(wèn)題，應(yīng)力集中產(chǎn)生的影響不容忽視。

675型儀器串的泥漿脈沖器短節(jié)鉆鋌及電子骨架存在多處開孔結(jié)構(gòu)，由于開孔結(jié)構(gòu)去掉了部分承壓金屬，削弱了泥漿脈沖器短節(jié)壁面的強(qiáng)度，同時(shí)也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到了破壞，易出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位是結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)，影響著結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。因此，鉆鋌及電子骨架是整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，需在結(jié)構(gòu)校驗(yàn)及優(yōu)化時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)分析，校核強(qiáng)度并明確應(yīng)力集中的關(guān)鍵位置。在675型儀器串泥漿脈沖器短節(jié)的鉆鋌及電子骨架原設(shè)計(jì)中，電子骨架電路板槽中圓角尺寸多為1 mm，鉆鋌開孔區(qū)域的圓角尺寸多為0.5 mm或2 mm。小尺寸的過(guò)渡圓角難以保證加工精度，也容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。此外，鉆鋌的蓋板開槽處還存在螺紋孔，也容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此需對(duì)電子骨架及鉆鋌進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)，并重點(diǎn)關(guān)注開孔區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果。在壓彎扭載荷共同作用的極限工況下泥漿脈沖器短節(jié)的應(yīng)力分布情況如圖10所示，通過(guò)觀察泥漿脈沖器短節(jié)的應(yīng)力分布情況，在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在鉆鋌及電子骨架處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在電子骨架，需對(duì)鉆鋌及電子骨架進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力評(píng)價(jià)。

圖10 泥漿脈沖器短節(jié)Von Mises應(yīng)力Fig.10 Von Mises stress of the mud pulser sub

2.1 鉆鋌應(yīng)力評(píng)價(jià)

鉆鋌的Von Mises應(yīng)力結(jié)果如圖11所示，在壓彎扭組合載荷作用下，鉆鋌的導(dǎo)流頭蓋板槽及走線蓋板槽圓角處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域皆為開孔結(jié)構(gòu)，由于導(dǎo)流頭蓋板槽的尺寸更大，應(yīng)力集中現(xiàn)象也更為明顯。鉆鋌采用的材料為15-15HS MAX，該材料的屈服強(qiáng)度為965 MPa，鉆鋌最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)流頭蓋板槽內(nèi)，為326 MPa，約為屈服強(qiáng)度的34%。由于鉆鋌的導(dǎo)流頭蓋板槽及走線蓋板槽為徑向孔，在壓彎扭組合載荷共同作用的極限工況下，彎曲載荷為循環(huán)交變載荷，且存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，鉆鋌易產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖11 鉆鋌Von Mises應(yīng)力Fig.11 Von Mises stress of the drill collar

2.2 電子骨架應(yīng)力評(píng)價(jià)

電子骨架的Von Mises應(yīng)力結(jié)果如圖12所示，在壓彎扭組合載荷的共同作用下，電子骨架的數(shù)據(jù)口和變徑處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在臺(tái)肩面過(guò)渡圓角處，為334 MPa，電子骨架的材料同樣為15-15HS MAX，最大應(yīng)力約為材料屈服強(qiáng)度的35%，在強(qiáng)度上具有較高的安全系數(shù)。但由于存在七心數(shù)據(jù)口這樣的開孔結(jié)構(gòu)，在壓彎扭組合載荷作用的極限工況下，受到循環(huán)交變的彎曲載荷作用時(shí)存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在電子骨架的軸向方向，變徑處不合理的過(guò)渡圓角尺寸也導(dǎo)致了較為明顯的應(yīng)力集中，提升了結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 電子骨架Von Mises應(yīng)力Fig.12 Von Mises stress of the electronic framework

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

對(duì)于需投入實(shí)際作業(yè)的泥漿脈沖器短節(jié)來(lái)說(shuō)，其孔槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅要考慮強(qiáng)度問(wèn)題，還要考慮加工難度、加工成本、與其他零部件的裝配等方面的問(wèn)題。在整體設(shè)計(jì)思路合理的情況下，結(jié)構(gòu)的改進(jìn)需盡量避免與原設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生沖突，且盡可能降低改進(jìn)的經(jīng)濟(jì)成本及時(shí)間成本。

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，為加強(qiáng)鉆鋌及電子骨架的薄弱位置，結(jié)合鉆鋌及電子骨架的徑向尺寸，提出針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議。泥漿脈沖器短節(jié)外徑為177.8 mm，對(duì)于軸徑介于120 mm至180 mm之間的軸類零件，軸上過(guò)渡圓角尺寸一般為3 mm，由于泥漿脈沖器短節(jié)制造成本較高，且在井下作業(yè)時(shí)承受復(fù)合大載荷作用，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改進(jìn)及優(yōu)化時(shí)應(yīng)采取較高的安全系數(shù)，故將泥漿脈沖器短節(jié)中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的小尺寸圓角半徑提升至4 mm，結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議如表1所示。此外，由于鉆鋌的導(dǎo)流頭蓋板槽及走線蓋板槽采用了矩形孔槽結(jié)構(gòu)，這種矩形孔槽結(jié)構(gòu)承受壓、扭載荷時(shí)容易在四角頂點(diǎn)處產(chǎn)生最為顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可在四角頂點(diǎn)處添加應(yīng)力釋放槽結(jié)構(gòu)以緩解應(yīng)力集中［16-17］。

表1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議Table 1 Structural improvement proposal

4 結(jié)論

（1）從仿真計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果來(lái)看，鉆鋌的應(yīng)力集中位置主要位于導(dǎo)流頭蓋板槽及走線蓋板槽內(nèi)的圓角處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)流頭蓋板槽內(nèi)圓角處。針對(duì)此處開孔結(jié)構(gòu)，可增大開孔處過(guò)渡圓角尺寸并考慮添加應(yīng)力釋放槽結(jié)構(gòu)。

（2）電子骨架的應(yīng)力集中位置主要位于電路板槽與臺(tái)肩面交匯處、電路板槽變徑處及通信接口處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在臺(tái)肩面過(guò)渡圓角處，需根據(jù)對(duì)應(yīng)位置的軸徑適當(dāng)增大薄弱位置的過(guò)渡圓角。

（3）在具有彎曲載荷的工況下，由于功能短節(jié)中開孔結(jié)構(gòu)的存在，彎曲載荷為交變載荷，易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，在檢測(cè)和維護(hù)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注電子骨架通訊接口、鉆鋌的導(dǎo)流頭蓋板槽及走線蓋板槽。