應變電測技術在石油機械中的應用分析

姜有云 馬守正 付群利 翟學偉

摘要：在進行石油鉆井、采油等井場作業時需要采用相關的石油機械，井場環境惡劣，容易對石油設備造成影響，因此對石油機械設備的強度和抗壓能力等要求較高。應變電測技術可以有效地對石油機械的應力情況加以分析，從而避免常規分析方法帶來的誤差。本文介紹了應變電測技術的工作原理和發展趨勢，重點分析了應變電測技術在石油機械中的應用情況。

關鍵詞：應變電測技術；石油機械；應用分析

應變電測技術在石油機械中的應用較為廣泛，和常規的檢測技術相比具有很大的優勢。應變電測技術在測量過程中檢測較為方便，受環境的干擾較小。但同時，應變電測技術也存在一定的局限性，這就要求設計人員需要解決應用上的問題，確保應變電測技術運行的穩定性以及擴大其應用范圍。

1.應變電測技術原理及其發展

1.1應變電測技術原理

金屬材料在受到壓力時都會產生形變，這種形變往往用肉眼無法看出。這時可以將電阻應變片作為傳感器元件，當金屬材料受到形變時可以使電阻產生變化，將電阻的變化放大轉化為電信號，這樣就可以推算出材料應變力的情況。電阻應變計主要由蓋層、引線、基底和敏感柵這幾部分組成。應變電測技術的工作流程主要如下：

材料受到力的作用產生形變→電阻發生變化→轉化為電壓（或電流）電信號的變化→電信號放大—記錄數據→數據處理→得到相應的應力變化。

應變電測技術和一般的檢測技術相比，具有顯著的優勢。應變電測技術不會對測量點的應力狀態有干擾，測量靈敏度和精度都比較高，而且可以很方便地控制測量尺寸與范圍，在各個領域得到廣泛的應用。應變電測技術對測量環境有較強的適應能力，不管是在零下兩百度的低溫還是兩千度的高溫下穩定性都很好。同時，應變電測技術是通過電阻信號轉化為電信號來記錄，這樣方便數字記錄與分析。

1.2應變電測技術的發展

應變電測技術在不斷地總結和發展中產生了幾種新型的測量產品。

1.2.1高性能的新型應變計

現在應變計的種類繁多，市場上出現了很多特殊類型的應變計，比如能夠耐八百多度高溫的應變測量計、防水的應變計、能夠耐零下兩三百度的應變計等等。這些特殊類型的應變計有了更好的穩定性，對高溫、水等環境有較好的適應能力，而且有的應變計不再是只能測量材料表面某一個定點的情況，可以對表面的應力分布進行系統的分析與研究。

1.2.2現代化的數據采集系統

在對材料應力情況作分析時，需要采集測量點的應力數據才能進行統計和研究。現在有一種數據采集器可以同時測量溫度、應變量、電壓、電流等多個參數，可以與多種不同的傳感器兼容，從而可以更方便地對數據進行采集和分析。這種數據采集儀還可以采集氣象條件、濕度等多種參數，為數據研究和管理提供方便。

2.應變電測技術在石油機械中的應用

2.1井架承載能力評價

井架是石油鉆機的核心部件之一，承受游動系統及鉆柱的全部重量，本身載荷和承受的載荷就很大，再加上施工過程中，受特殊作業環境的影響，井架很容易被腐蝕、變形甚至會破裂，導致井架無法正常安全的工作。如果井架在長時間的施工過程中遭受腐蝕和變形，這會極大地影響井架的抗壓強度，對施工的安全造成威脅。尤其對于海洋上的進行鉆井作業時，如果發生意外，后果會更加嚴重。由于海洋井場與陸地相隔較遠，交通阻隔，發生事故，井架很難及時運回陸地整修，嚴重影響鉆井的效益和設備安全。

為了及時確定井架在施工過程中所能承受的最大應力和承載系數，需要定期對井架進行壓力測試。這種測試需要從靜態和動態兩方面著手，靜態測試可以為動態測試奠定基礎。鉆機井架的每一個桿件都會受到剪切力、彎扭作用力和拉力的綜合作用，通過理論知識的推導以及相關計算可以得到井架的實際應力狀態，從而可以知道最大正應力在桿件的哪一個點上。一般情況下，安全事故往往就是發生在這個節點上，所以需要對疑似危險節點進行測試，這樣可以確保石油機械的使用安全。在桿件的延軸方向可以貼上應變傳感元件，采用正應力測試技術可以對溫度進行補償。桿件軸向的力可能是壓力也可能是拉力，還有可能受到彎矩的綜合作用，所以合力的綜合作用方向是不確定的，這就導致桿件斷面的危險點無法確定。因此，為了確保桿件的安全，要在桿件每一個可能發生危險的測點貼上應力傳感元件，這樣才能找到危險點在什么位置以確保安全。

2.2抽油機結構強度測試

抽油機是目前油田使用最廣的采油設備之一，他利用四連桿機構的曲柄搖桿原理，將原動機的旋轉運動轉化為上下擺動的直線運動，從而驅動直桿泵從油井中抽出原油。抽油機的種類繁多，但使用最為廣泛的是游梁式抽油機。游梁式抽油機主要是有游梁、原動機（電機或柴油機）、曲柄、減速箱、驢頭、懸繩器、連桿、支架等幾部分組成。當抽油機工作時，高速運轉的動力機，通過皮帶傳動將動力傳遞給二級減速箱，帶動曲柄搖桿結構發生擺動，最終將動力經過懸掛在驢頭上的懸繩器傳遞到井下，實現抽油作業。

隨著井深的增大，抽油機的沖程也在不斷加大，導致了抽油機本身的外形和重量不斷增大。在這種情況下、抽油機在使用過程出現局部裂痕、變形等問題幾率增多，隨著使用的年限的增大，抽油機就可能面臨無法工作的危險。因此，需要定時對抽油機結構的受力強度進行分析，尤其要對疑似最大正應力點處進行檢測，這樣可以確保抽油機正常工作、確保設備壽命的重要手段。

3.結束語

在采油、鉆井等方面應用較廣的石油機械。為了確保施工的順利進行，需要保障石油機械設備的強度性能達到使用要求。應變電測技術在石油機械方面的應用很廣泛，能夠定期掌握對測量材料表面的微小形變以及對桿件的應力分布情況，從而掌握設備的整體狀況，為維修和保養提供重要的依據。應變電測技術在實際操作中也存在一定的局限性，如何擴大應變電測技術的應用范圍和怎樣對石油機械設備進行全面的安全測試是以后需要研究的方向。

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