試論壓縮式封隔器膠筒變形階段力學分析

陳紅文

（阜寧縣宏達石化機械有限公司224400）

試論壓縮式封隔器膠筒變形階段力學分析

陳紅文

（阜寧縣宏達石化機械有限公司224400）

本文將壓縮式封隔器膠筒變形分為自由變形和約束變形兩個階段，分別進行力學特征及性能分析，在此基礎上對膠筒的強度進行分析，希望通過本文的研究能夠得到合理的設計壓差等相關數據，為后期設計封隔器，確定相關尺寸提供參考。

壓縮式封隔器；膠筒；自由變形；約束變形

1 引言

封隔器是一種常用的井下作業工具，主要用于試采，而整個封隔器最主要的部件就是膠筒。在使用封隔器的過程中，膠筒會在壓縮載荷的作用下出現軸向壓縮變形，于此同時會在徑向形成膨脹，進而使井壁各封隔管柱之間形成環空，可以說封隔器膠筒運行是否正常對于施工的成敗起到決定性的作用，也影響到施工的安全。因此在現階段加強對于壓縮式封隔器膠筒變形階段的力學特征進行分析具有重要的現實意義。

2 自由變形階段膠筒力學特征分析

壓縮式封隔器膠筒變形是分階段完成的，而且在不同的階段會呈現不同的力學特征，根據變形特征的不同一般可將膠筒變形分為自由變形和約束變形兩個階段。具體根據膠筒外壁和套筒內部是否接觸進行劃分。當套筒內半徑Rt≥膠筒外半徑Rj時，處于自由變形階段，膠筒的變形主要受到軸向機械力作用，膠筒變形與應力應變呈現明顯的線性變化關系。

3 膠筒約束變形階段的力學性能分析

壓縮式封隔器膠筒力學性能的分析需要充分結合膠筒的變形機制，只有以封隔器膠筒變形為切入點來分析才能全面分析研究封隔器膠筒的受力狀態，進一步分析其工作強度，從而為初期的設計奠定基礎。

當膠筒外半徑Rt＞套筒內半徑Rj時，套筒的內壁就與膠筒的外壁發生直接接觸，并出現作用，封隔器的中心管會對膠筒的變形產生約束。此時，膠筒的變形就進入約束變形階段，一方面受到軸向機械壓力的壓縮作用，另一方面受到來自接觸產生的分布力和摩擦力作用。而且膠筒是使用特殊材料制作的，當受到壓縮力作用時，其體積會相應發生變化，應力也隨之變化。為了便于對約束變形階段的受力情況進行分析，這里主要研究膠筒的軸向受力情況，假設在約束變形階段膠筒軸向受力為Fz，那么Fz=Ft+Ff。其中Ft表示在膠筒變形受到約束時承受的彈性作用力，Ff表示的是膠筒受到的庫倫摩擦力。

彈性作用力Ft主要可以分為兩部分：①自由變形與約束變形轉變階段的壓力F1，②變形時產生的彈性力Ft2，Ft2的大小與膠筒變形程度相關。

其中右側的三部分分別表示在Ft2的作用下，軸向、徑向和周向應變。由于變形過程中，套筒壁會對膠筒產生一定的約束，軸向、徑向體積應變都為零。所以，總的體積應變只包括周向應變一部分。

其中右側三部分分別表示在Ft2作用下，膠筒承受的徑向應力、軸向應力和周向應力。

而由于壓縮式封隔器的特殊構造，膠筒受到的徑向應力、周向應力都與膠筒受到的接觸分布力相等，假設接觸分布力為P，則結合彈性力學厚壁筒理論，公式中的Uz表示的是在Ft2的作用下，封隔器的膠筒在軸向發生的位移。

根據約束變形的實際特點，一般將膠筒在約束變形階段受到的軸向應力和接觸分布力看作均勻分布。所以：

其中f1、f2分別表示膠筒與套筒壁和與封隔器中心管之間的摩擦系數。

4 膠筒的強度分析

為了有效保證封隔器膠筒的正常使用，需要對膠筒的強度進行校核，分析器安全性，從而為有效延長膠筒的使用壽命提供相應的參考。

由于膠筒受到三個方向上應力的作用，因此應利用第四強度理論，最終整理得到，膠筒在約束變形階段承受的合成應力為：

4.1 不考慮工作壓差

上文分析可知，壓縮式封隔器膠筒在約束變形階段會受到來自套筒和中心管兩方面的約束，而徑向應力、周向應力都與接觸分布力P相等。假設在約束變形階段受到的軸向應力為σz，則總軸向力：

此時膠筒承受的合成應力為：

4.2 考慮工作壓差

如果綜合考慮到工作壓差，膠筒的極限壓力就是膠筒強度校核使用的軸向應力，此時的合成應力為：

當滿足以上條件時，膠筒在標準載荷下工作，封隔器的膠筒時安全的，如果工作載荷不滿足以上條件，就會對膠筒、封隔器的使用造成影響，甚至會發生事故。一般情況下采用最后的公式進行強度校核，能夠有效確保膠筒適應于大部分的壓差狀態，從而為更好的使用封隔器進行指導。

5 結論

未來隨著經濟社會的不斷發展，壓縮式封隔器的使用會更加普遍，性能要求也會更加嚴格，因此在現階段，機械行業人員要加強關于壓縮式封隔器尤其是膠筒變形的研究，分析變形力學特征，掌握變形規律，在設計初期充分考慮實際變形情況，選擇合理的設計參數，確保壓縮式封隔器能夠更好的滿足各種不同狀況下的工作需求。

[1]李旭，竇益華.壓縮式封隔器膠筒變形階段力學分析[J].石油礦場機械，2007，36（10）：17～19.

[2]張勁，李煒，張士誠，等.封隔器超彈性膠筒力學性能的試驗研究[J].機械工程學報，2011，47（8）：71～76.

TE931

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1004-7344（2016）30-0229-01

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