油管扶正裝置的研制

王英強 張偉強 武新強

摘 要：本文結合機械化修井作業中油管扶正裝置結構、工作原理和技術特點等情況分析，通過應用中的有限元分析對扶正裝置應用工作進行了探究。

關鍵詞：油管扶正；機械自動化；修井作業

隨著修井井口機械自動化程度提高，管柱起下自動化通過井口機械化模塊和油管機械化拉排模塊等可順利實現，克服了管柱起下中人工勞動強度大、受惡劣環境影響和風險系數高等缺陷。但在起油管中，大鉤吊起后是垂直狀態，無法直接自動轉向油管機械化拉排模塊。因此，需要研究油管扶正裝置，對傾斜的油管實現一次性自動化扶正和對中，使油管能在作業系統間實現運移平穩和對中精準，提升機械化修井作業水平。

1 油管扶正裝置基本情況

1.1油管扶正裝置結構

井口修井作業機械的油管扶正裝置由主輔扶正臂、對中裝置、液壓缸、扶正桶等結構構成，如圖1所示。該裝置主體技術參數為：外部尺寸1900mm*640mm*2870mm；工作時油壓7MPa；適用油管外徑規格為Ф60.3-114.3mm；水平擺動幅度為2360mm；主扶正臂與機架角度為50-112度之間；油管扶正和推送時間在10s以內。其中，主扶正臂鉸接井口支架，上端配套機械扶手能夠隨著液壓缸完成退讓位等動作；輔助扶正臂主體為“四連桿”機構，與主臂利用主桿鉸接，下端與支架鉸接，可跟隨主臂進行擺動；導向錐桶上部為“喇叭口”形狀，在支架軌道底板上固定，液壓鉗與錐桶中心對中，油管下入中導向錐桶可控制油管的活動幅度，確保油管能對中準確。

1.2油管扶正裝置運行原理

油管扶正裝置主要功能是實現修井作業時油管下入井口的限位、扶正和對中，特別是在井口位置油管的起升裝置操作時實現油管扶正，功能的實現主要是由液壓缸提供動力，帶動扶正臂的擺動完成作業。在吊起油管并由扶正臂接住后，受重力和扶正臂支撐作用，油管可隨著扶正臂平穩擺動移動到井口。扶正臂上的機械扶手可以在移動過程中對油管發揮“限位”功能，確保運移安全、防止油管運移中脫離扶正臂。輔助扶正臂可以配合主臂構成“六連桿”結構，形成夾持油管的特殊構造，實現油管初步對中。導向錐桶具有精準控制輕微擺動油管的位置變化的作用，能夠根據對中需要進行精確的導向作用，做好油管上扣各類準備工作。為提升工作效率，油管下入和上扣要由液壓缸提供動力，帶動機械扶手旋轉90度與主扶正臂運動到同一條直線上，并利用主扶正臂讓位，做好下一根油管對中的準備工作。在起油管作業時，該裝置可以借助扶正臂將油管運移到油管輸送裝置的油管滑道上。

1.3油管扶正裝置的技術特點

該井口油管扶正裝置具有以下鮮明技術特點：在井口部位，主輔扶正臂可在一定空間內構成“六連桿”結構，實現對油管夾持功能，并且該結構能最大限度的降低油管整體擺動幅度，控制好油管末端的擺動，提升對中效率和成功率。主臂上的機械扶手是“V”型結構，以滾輪形式作業，可以降低滾輪上油管移動中的摩擦阻力，并能在油管對中中發揮一定的限位作用。主輔扶正臂的鉸接軸與扶正臂間存在一定夾角，便于輔助扶正臂在跟隨主臂擺動中的下移讓位，能配合油管運移機構實現自動化作業。導向錐桶上部為圓筒狀結構，在油管輕微擺動中能夠發揮導向作用，提升油管與井口對中的精準性。扶正作業中無需人工輔助，工人無需接觸擺動中的油管，防止了作業傷害事故發生，并能提升對中效率，實現不間斷的“起下管”作業。

2 油管扶正裝置有限元分析

油管扶正裝置主臂主要受兩個力——液壓缸的驅動作用力和油管末端側向擺動力，所以在作業時承受彎矩較大，工作性能和安全系數取決于其自身剛度和強度。所以，需要借助ANSYS Workerbench軟件對主臂進行有限元分析，確保狀態可預見、可控制，提升裝置運行的可靠性。

有限元分析的主扶正臂主要是機械手和正臂兩部分，是“裝配型”模型，其中扶正臂以矩形鋼為材料，機械扶手以45號鋼為材料，承擔連接功能的螺栓和螺母是以不銹鋼材質的標準配件，主要技術參數如表1所示。

扶正臂屬于規則結構，網格劃分可通過六面體為主方式，以10mm為單元劃分有限元模型，共劃分有170538個單元和53472個節點。在運行中扶正臂承受復雜的受力狀態，模型建立中需要妥善處理載荷，基于主臂與液壓缸和支架是鉸接連接在一起的，所以必須設置固定式鉸接點。因本裝置適用的油管對中規格為Ф60.3-114.3mm，以Ф114.3mm油管的受力分析，可看出扶正臂受力軸向分力最大值在50度時出現，側向分力在62度時出現，可將扶正臂靜應力分析時取值50度和62度兩種工況條件模擬扶正臂運行時應力分布狀況。其運行參數如表2所示。施加載荷后的模型中，重力加速度約為9806mm/s2，輔助扶正臂重力為178N，扶正臂受力273.54N。

在強度分析上，利用Mechanical模塊直接求解器分析，因扶正臂材質屬于塑性材質，所以選擇第四強度理論計算，Workbench求解得出的結果選項選擇與第四強度理論對應的等效“EQUVIALENT STRESS”和總變形“TOTAL DEFORMATION”。結合計算結果分析，在62度工況條件下，扶正臂應力集中點與50度工況條件下一致，但最大應力值增大，達到21.72MPa，變形最大位置處于扶手末端部位，最大變形量是0.48mm，比在50度工況條件下略小。

根據以上有限元分析，得出扶正臂工作最大應力值為21.72MPa，以安全系數為2計算，得出扶正臂的應力許用范圍最大值為125MPa，所以扶正臂強度符合使用要求。扶正臂變形最大量是在50度工況條件下出現，約為0.76mm，許用的撓度為5mm，說明變形量不會對裝置現場應用產生不良影響，剛度同樣符合使用要求。

3 結論

綜上所述，油管扶正裝置是修井作業井口機械自動化重要裝置，對油管起下作業中對中自動化等具有重要作用，通過對其結構、原理和技術特點等基本情況的分析和有限元應用探究，有利于加深對油管扶正裝置的認識程度。

參考文獻：

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