激光切割石油割縫管中的傳熱問題研究

李玉林 李彬 張耀兵

摘要：本文主要對激光切割石油篩管過程中傳熱問題進行研究，通過建立數學模型的方式進行相應的理論研究，以便能夠清楚了解激光切割石油篩管中的傳熱規律，為相關工作做好準備。

關鍵詞：激光切割；石油割縫管；傳熱問題

前言

篩管是石油鉆采作業中的重要器材，在采油防砂以及先期完井中有著重要的應用，特別是割縫篩管憑借其物美價廉的優勢在石油鉆采作業中有著十分廣泛的應用。目前，加工石油割縫篩管的方法有很多，但是大部分常規加工方式存在著許多問題。作為一種高能光束，激光聚焦能夠形成半徑為0.08毫米左右的焦斑。光束焦斑溫度極高，可以瞬間融化、蒸發材料照射部位。所以，當鋼管與激光光束相對運動時，激光光束能夠在管體上切出一條割縫來。因此，制造割縫篩管的眾多方法中，激光切割是一種較為先進的技術方法。當然激光切割在應用中也存在著一定的問題，其中傳熱問題尤其要引起重視，本文主要就傳熱問題進行相應的理論分析。

1.熱傳數學模型的建立

石油篩管在激光切割中的加熱步驟可以分為兩層，第一層加熱初始階段，石油篩管的表面不融化的情況下，經過固體傳熱機制，表面熱源將熱能傳遞給基體，造成基體材料被加熱，整個過程也被成為固態熱傳。第二層，石油篩管表面在激光光束強度超過一定閡值時開始出現融化現象。這時金屬熔池內就會出現熔體對流運動。

1.1激光切割石油篩管描述

石油篩管在加工過程中是將10米的鋼管進行對稱切割，激光在切割8厘米時要停止切割，而后前進2厘米再進行切割，而后再進行8厘米進行切割，周而復始。待三條縫切割完成之后，將管材進行180°轉動之后再進行上述切割，要做到轉動一周切割30條縫，相當于篩管每轉動12°就要切割一條縫。激光光束進行割縫時管材傳熱的溫度場是本文研究的重點。經過嘗試計算后發現每一條縫的熱影響區不大，所以在研究時，研究對象選擇管材斷面的1/4最佳。在計算時，管材長度6厘米，外徑4.45厘米，內徑3.79厘米進行有限元剖分。

1.2數學模型的建立

為了保證數學模型的科學性，首先要做以下假設：1）激光光束保持穩定的功率；2）當石油篩管切割時產生的化學反應熱與激光光束產生的熱量需要轉化折算為當量熱流密度；3）石油篩管的外壁與內壁的空氣溫度要假設在20℃；4）假設管材的厚度與激光光束聚焦焦深相同。

2.計算結果與分析

2.1不同時刻管材的整體溫度場

假設激光光束的功率為1300W，平均每分鐘的切割速度為1米，激光聚焦深度為0.65厘米，激光焦斑直徑為0.015厘米。通過計算我們可以發展，作為一個動態過程，激光切割石油篩管時，當激光光束以均勻的速度保持恒定功率進行切割時，在剛開始的1秒內，管材的整體溫度場極不穩定，0.4秒時為最高溫度1438℃；0.67秒時1465℃；0.91秒時溫度為1470℃。在1秒至2.2秒的時間內，激光光束與石油篩管切割處的最高溫度逐漸降低，趨于平穩，最終保持在14621℃。在2.2秒之后，如果激光光束繼續進行切割，經過計算得知，切割溫度在14621℃的數值向前推移。意思是當激光光束切割時間超過1秒之后，整體溫度場就已經進入了飽和狀態，形成了相對溫度的高溫區。高溫區的溫度場與熱源的移動保持同樣的移動速度。當2.2秒之后，激光光束停止切割，這時候石油管材的溫度持續下降，待冷卻1分鐘之后，管材的溫度達到周邊實際溫度20℃。

2.2某一固定點的溫度隨時間的變化曲線

在進行管材溫度變化情況時，隨意選取A、B兩點進行，激光剛開始切割時經過的第一個切割面節點為A點，我們可以發現，A點在激光高速集中的熱源作用下，加熱速度非常快，這就意味著，在極短的時間內，管材吸收了大量的熱能。當A點與激光熱源不斷接近時，其溫度在0.4秒內就迅速上升到1436℃，而當激光熱源遠離時，S溫度在5秒之內就降為200℃。1分鐘之后，管材時間溫度與環境溫度相同。B點選擇在距離A點5厘米的地方，經過測試發現，B點的最高溫度只有230℃多，這表示激光切割的實際熱影響區域并不大，而且隨著時間的變化，管材的實際溫度在1分鐘之內就會與環境溫度相同。

2.3沿切割方向上的表面溫度分布特征

經過實際試驗計算，我們可以得出，剛激光光束剛剛開始進行管材切割時，管材表面溫度場顯示非穩態。距離切割方向1厘米的地方比距離切割方向0.5厘米的地區溫度下降23℃。當激光光束的切割時間在1分鐘時，熱源處管材表面溫度變化趨于相似，都是從20℃迅速上升，最后到達超過融合溫度的1470℃。在實際變化上，二者之間相差0.3秒的延遲時間。在空間上看，二者沿著切割方向平移5mm得到的，這說明了激光切割過程是一種準穩定狀態的過程。

3.結語

經過實驗發現，在激光切割石油篩管時，激光熱源所形成的熱影響區很小，而且溫度區內的溫度不隨時問變化。經過實驗掌握了激光切割石油割縫管中的傳熱問題，這對于激光切割過程中優化工藝參數有著重要依據，有利于保障石油篩管質量，進而保障石油鉆采作業的順利進行。

參考文獻：

[1]劉瑞芝.李汛.鄒瑾.諸凱.石油割縫管激光切割中的傳熱問題研究[J].工程熱物理學報.2002（06）.70-72

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