注入頭管塊夾持提升系統(tǒng)受力及結(jié)構(gòu)分析

施志輝，張真真，許 立

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

連續(xù)油管作業(yè)機(jī)是應(yīng)用廣泛的石油作業(yè)裝備，被譽(yù)為“萬能作業(yè)裝備”，注入頭是連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)起出和下入連續(xù)油管［1］，而注入頭的性能主要取決于管塊夾持效果.注入頭在工作過程中，如遇到井內(nèi)卡鉆等工況，盲目增大注入頭提升力或夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力來提升油管，就會(huì)使油管發(fā)生塑性變形或在夾持塊與油管之間發(fā)生打滑［2］.因此，確定臨界提升力和臨界夾緊力至關(guān)重要.文章以管塊夾持模型為研究對象，對注入頭臨界提升力進(jìn)行分析，為注入頭設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 管塊夾持系統(tǒng)受力分析

夾持塊夾持油管如圖1所示，其基本原理:在注入頭工作過程中，夾緊機(jī)構(gòu)施加夾緊力推動(dòng)夾持塊抱住油管，通過摩擦力的作用，帶動(dòng)油管隨夾持塊一起做上下運(yùn)動(dòng)，其中夾持塊背面設(shè)計(jì)有銷孔，可以使夾持塊通過銷軸安裝在鏈條上，鏈條運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)夾持塊運(yùn)動(dòng);夾持塊正面設(shè)計(jì)有與油管配合的夾持表面.夾持塊通過鏈條串接起來，夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力通過夾塊背面?zhèn)鬟f到夾持表面，從而使夾持塊夾緊油管.

圖1 管塊夾持示意圖

管塊夾持系統(tǒng)的受力如圖2所示，夾持塊在夾緊力作用下，使油管產(chǎn)生靜摩擦力，從而克服油管軸向力實(shí)現(xiàn)油管的注入或起出.對于管塊夾持系統(tǒng)來說，其受力主要是:鏈條對夾塊的提升力Ft、夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力Fj、油管的軸向力F.忽略夾緊機(jī)構(gòu)與夾持塊之間的摩擦力，單個(gè)夾持塊受力主要包括油管對夾持塊的夾緊反作用力p'o、油管對夾持塊的摩擦力p'f、夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力Fj和鏈條對夾持塊的提升力Ft;對于油管受力，在美國API算法基礎(chǔ)上，以彈性力學(xué)厚壁筒理論為基礎(chǔ)，忽略油管母線上的縱向彎矩對油管的影響，假設(shè)夾持塊夾緊力均勻分布，不考慮油管內(nèi)壓(即pi=0)，油管受力包括:夾持塊對油管的夾緊力po、管塊間摩擦力pf、油管軸向力F.其中:po與p'o大小相等，方向相反;pf與p'f大小相等，方向相反.

圖2 管塊夾持系統(tǒng)受力

2 臨界提升力分析計(jì)算

注入頭在工作過程中，主要是通過夾緊機(jī)構(gòu)提供夾緊力，使夾持塊夾住油管，通過摩擦力的作用實(shí)現(xiàn)油管的提升.如果提升過程中，夾緊力過大或者提升力過大，就會(huì)使油管發(fā)生塑性變形或出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，臨界提升力是指在不發(fā)生“打滑”的前提下，夾持塊提升油管時(shí)使油管發(fā)生屈服的最小提升力.因?yàn)橛凸艿那Q于油管的屈服極限，一般情況下屈服極限為定值，提升力也為定值，但是在夾持塊提升油管過程中，油管屈服不僅與提升力有關(guān)，夾塊夾緊油管時(shí)會(huì)使油管變形，也會(huì)影響油管屈服.

夾持塊提升油管的過程中，夾持塊與油管以相同的速度運(yùn)動(dòng)，且提升過程中，提升速度為恒定值，即夾持塊受力平衡.取單個(gè)夾持塊進(jìn)行受力分析，如圖2(b)所示.由夾持塊受力平衡得:

經(jīng)過理論推導(dǎo)，如果油管無彎曲應(yīng)力作用，油管與夾持塊接觸的下邊緣處油管最先出現(xiàn)屈服，根據(jù)厚壁筒拉梅公式，在油管內(nèi)壁各向應(yīng)力如下所示:

徑向應(yīng)力:

切向應(yīng)力:

軸向應(yīng)力:

畸變能密度理論(第四強(qiáng)度理論)認(rèn)為，不管材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要當(dāng)畸變能密度到達(dá)一定極限，就會(huì)引起材料的塑性變形［5］，取安全系數(shù)為1，根據(jù)畸變能密度理論，油管不發(fā)生屈服的條件為:

在內(nèi)壁有 σ1=σz，σ2=σr，σ3=σθ，經(jīng)整理得:

將式(7)帶入式(2)整理得:Ft=pf×A=fvpoA

以上各式中:p'o為油管對夾持塊的反作用力，MPa;Ft為鏈條對夾持塊的提升力，kN;pj為夾緊機(jī)構(gòu)對夾持塊夾緊力，MPa;Aj為夾緊機(jī)構(gòu)與夾持塊接觸面積，mm2;po為夾持塊對油管的壓力，MPa;pi為油管內(nèi)壓，MPa;pf為夾持塊與油管間摩擦力，MPa;a，b分別為油管的內(nèi)半徑、外半徑，mm;F為油管軸向力，F(xiàn)=fvpoA，kN;fv為油管與夾持塊之間的當(dāng)量摩擦系數(shù);A為油管與夾持塊之間的理論接觸面積，mm2;σs為油管屈服強(qiáng)度，MPa.

式(8)為鏈條對夾持塊的臨界提升力，式(7)是達(dá)到臨界提升力時(shí)，夾持塊對油管的單位夾緊力.分析中，油管材料為80號鋼，外直徑 D為38.1 mm，內(nèi)直徑 d 為 29.21 mm，屈服強(qiáng)度 σs=552 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為206;夾持塊材料為30CrMo，夾持內(nèi)徑為38.12 mm，屈服強(qiáng)度為785 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為 206 GPa .鏈條提升油管時(shí)，由8組夾持塊共同完成，單個(gè)夾持塊夾持長度88.9 mm.

臨界提升力隨當(dāng)量摩擦系數(shù)變化如圖3(a)所示，注入頭在工作過程中，提升力越大注入頭的提升性能越好，隨著當(dāng)量摩擦系數(shù)的增大，臨界提升力增大，所以應(yīng)增大摩擦系數(shù)來提高注入頭的提升性能;由曲線可以看出，隨著當(dāng)量摩擦系數(shù)不斷增大，提升力變化趨于平緩，而且增加摩擦系數(shù)會(huì)提高生產(chǎn)成本，所以綜合考慮性能和成本，當(dāng)量摩擦系數(shù)的合理范圍為0.3～0.5.圖3(b)為夾緊力隨當(dāng)量摩擦系數(shù)變化，隨著當(dāng)量摩擦系數(shù)的增大，注入頭的臨界提升力增大，但需要夾緊機(jī)構(gòu)提供的夾緊力減小，所以增大當(dāng)量摩擦系數(shù)，還可以降低夾緊機(jī)構(gòu)的負(fù)荷，從而減小夾緊油缸的尺寸，縮小整個(gè)注入頭的體積.

圖3 提升力和夾緊力隨摩擦系數(shù)變化曲線

3 提高當(dāng)量摩擦系數(shù)的方法

油管與夾持塊間的當(dāng)量摩擦系數(shù)影響注入頭的提升性能，為提高當(dāng)量摩擦系數(shù)可以采用夾持塊表面涂增磨涂層、優(yōu)化接觸面形狀及在接觸面上開槽等方法.對夾塊表面材料進(jìn)行有效的處理可以提高夾塊與連續(xù)油管之間的摩擦系數(shù)，既可以提高夾持性能，也能夠提高夾持的可靠性，一般采用在夾持塊表面涂增磨涂層的方法，如在夾持塊表面涂 Ni基合金涂層，可使摩擦系數(shù)達(dá)到0.45，可使用此材料作為夾塊表面材料.

在夾持塊材料及所受外力相同時(shí)，不同形狀的夾持塊其當(dāng)量摩擦系數(shù)不同，故管塊接觸面間產(chǎn)生的摩擦力不同，而夾持塊提升油管主要是通過摩擦力來實(shí)現(xiàn)的，所以接觸面形狀影響注入頭的提升性能.常見的夾持塊有兩種:V型夾持塊和圓弧形夾持塊，如圖4.圖中:α為圓周包角，β為傾斜角，m為徑向厚度，b為半開度，分析中取α=160°，β=50°，m=12.5 mm.

圖4 夾持塊結(jié)構(gòu)

為方便分析，取單組夾持塊夾持時(shí)進(jìn)行分析，夾持塊夾緊力為126 kN，油管軸向力為87 kN.因?yàn)榉治瞿Ｐ蜑閷ΨQ結(jié)構(gòu)，所以為方便計(jì)算，取四分之一進(jìn)行ANSYS有限元分析，在油管與夾持塊左側(cè)面施加X方向約束和下側(cè)面施加Y方向的約束，不同結(jié)構(gòu)的夾持塊von mises應(yīng)力如圖5所示，經(jīng)分析可知:V形夾持塊等效應(yīng)力最大為457.56 MPa，圓弧形夾持塊等效應(yīng)力最大為221.04 MPa，圓弧形夾持塊等效應(yīng)力約為V形夾持塊的一半.圓弧形夾持塊增大了油管與夾持塊間的接觸面積，從而減小了應(yīng)力集中，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用圓弧形夾持塊.

圖5 管塊夾持Von Mises應(yīng)力

為增加夾持塊與油管間的當(dāng)量摩擦系數(shù)，還可以在夾持塊表面開槽，為了解開槽后的夾持效果，對夾塊進(jìn)行ANSYS有限元分析，取夾持方向?yàn)閄軸，提升方向?yàn)閅軸，夾持面X方向均布壓力35 MPa，Y方向均布壓力14 MPa，因其他分析與上述的分析過程類似，在此不再復(fù)述.夾持塊ANSYS有限元分析結(jié)果如圖6所示，受力狀態(tài)相同時(shí)，平面型夾持塊等效應(yīng)力為84.901 MPa，槽型夾持塊等效應(yīng)力為60.174 MPa，開槽后夾持等效應(yīng)力較小;開槽后應(yīng)力相對較均勻分散在槽表面，未開槽夾持塊會(huì)在夾持塊一側(cè)邊緣處出現(xiàn)應(yīng)力集中，可見，開槽后應(yīng)力分布較均勻，夾持效果較好.

圖6 夾塊von mises應(yīng)力圖

4 結(jié)論

(1)通過管塊夾持受力分析，得出了臨界提升力隨當(dāng)量摩擦系數(shù)變化關(guān)系，當(dāng)量摩擦系數(shù)越大，注入頭臨界提升力越大，需要夾緊機(jī)構(gòu)提供的夾緊力越小，提升性能越好;

(2)通過分析得出管塊間當(dāng)量摩擦系數(shù)過大，會(huì)增加生產(chǎn)成本，且隨著當(dāng)量摩擦系數(shù)增大，提升力的變化趨于定值，所以當(dāng)量摩擦系數(shù)合理范圍為0.3 ～0.5;

(3)為增加當(dāng)量摩擦系數(shù)，可以采取在夾持塊表面涂增磨涂層、將夾持塊設(shè)計(jì)成圓弧形、在夾持塊表面開槽等方法，通過ANSYS有限元分析可知，這些方法都可以提高夾持性能，使夾持穩(wěn)定可靠.

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