連續管快換式滾筒結構設計及校核

管鋒，徐夢卓 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

劉燕 (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

劉少胡 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

連續管廣泛應用于試油、修井、完井、測井、增產、鉆井、管道集輸等領域，是一種具有廣闊應用前景的特種作業設備[1]。滾筒裝置是連續管的儲運設備，主要功能是容納、支撐連續管，確保連續管收放平穩、纏繞整齊。但滾筒裝置體積較大，結構為一體式，不方便運輸及吊裝；更換連續管尺寸大小或材料類型時，一體式滾筒拆卸和纏繞連續管的時間均較長，大大降低了連續管作業車的整體效率；纏繞在滾筒上的連續管發生的塑性變形引起滾筒的外部擠壓[2]，容易導致底座變形。因此，發展快換式連續管滾筒很有必要。

2003年，T.D.Clain等提出了一種新型的連續管滾筒筒芯與底座支架的連接型式[3]，即筒芯兩側均有一個帶槽的支撐輪轂，該槽可與凸臺卡在一起，起到限位作用。2011年，劉英蓮等設計了可更換速裝滾筒裝置[4]，該裝置使用可以迅速抽離的鍥形塊和插裝板，實現滾筒的驅動和快速裝卸。由于采用鍥塊式夾緊，同時通過螺紋來實現鍥塊的調整和限位，更換時存在一定的安全隱患。2012年，李世奇等提出了一種快換式連續管滾筒裝置[5]，該連接方式安全巧妙，但容易出現過定位的問題。針對以上滾筒結構的不足，筆者設計了一種新型的快換式滾筒結構。

1 滾筒總成的結構設計

圖1 快接盤的連接形式

筆者設計的快換式滾筒結構主要創新點在于快接盤的連接型式為銷軸連接，即筒芯上的快接盤與底座上的快接盤通過一個中心孔插裝銷軸進行連接，其結構如圖1所示。而常用的滾筒連接型式大多為螺紋連接，其快換部分的主要部件為鍥形塊和插裝板。

滾筒總成主要由滾筒橇架、滾筒體、高壓管匯、排管器、計數器、滾筒管路、潤滑系統，防護框架等幾大部分組成，滾筒總成主要部件及其裝配關系如圖2所示。

1.1 滾筒橇架

滾筒橇架由帶支撐座的滾筒底橇、滾筒安裝座、滾筒吊架組成。滾筒底橇有2個250mm×100mm(寬×高)的起重用叉車槽，兩叉車槽的中心距為1850mm。用于驅動滾筒旋轉的2個液壓馬達直接安裝在滾筒安裝座上，通過齒輪傳動方式，驅動滾筒旋轉。滾筒橇架起保護作用，通過銷軸直接與滾筒底橇連接。在滾筒橇架頂部四角處有用于吊裝(或拆卸)橇架的吊耳。滾筒吊架安裝在滾筒安裝座上，用于吊裝纏繞連續管的滾筒或吊裝整橇。滾筒橇架整體結構示意圖如圖3所示。

圖2 滾筒總成結構示意圖 圖3 滾筒橇架示意圖

圖4 驅動系統結構示意圖

1.2 驅動系統

常規滾筒主要采用鏈條驅動滾筒正反轉，經過減速，使滾筒獲得較低轉速和較大扭矩[6]?？鞊Q式滾筒則是通過液壓馬達帶動齒輪減速驅動滾筒旋轉，瞬間傳動比恒定且穩定性高，使得整體結構緊湊。該驅動系統主要組成有液壓馬達、一級小齒輪、一級大齒輪、二級小齒輪、回轉支撐、滾筒快接盤等，其結構示意圖如圖4所示。其中一級減速齒輪采用油潤滑方式進行潤滑，二級減速齒輪采用潤滑脂方式進行潤滑。

1.3 滾筒筒芯

1.3.1滾筒底徑的計算

滾筒筒芯的尺寸可按表1中的數據進行選取和計算[7]。

表1 連續管尺寸與筒芯尺寸對應關系

對于尺寸為2in的連續管，根據表1，取其對應的滾筒半徑為：

r=40in=40×25.4mm=1016mm

綜上所述，滾筒底徑為D=2r=80in=2032mm。

1.3.2滾筒容量的計算

2.2.2 氣溫相關指標。本研究以有無發病為分組依據，分為有發病組（n=847）、無發病組（n=614），納入的氣溫指標有平均氣壓、日氣壓差、日平均氣溫、日氣溫差、日平均水汽壓、日平均相對濕度、日降水量、日平均風速、日極大風速、舒適度指數，結果提示，上述氣象學指標差異均無統計學意義（P＞0.05），見（表2）。

圖5 滾筒尺寸圖

滾筒連續管容量要求設計：1.5in油管可纏繞8100m；1.75in油管可纏繞5900m；2in油管可纏繞4600m。滾筒容量主要由油管外徑d，滾筒底徑C，輪緣內側寬度B，滾筒外徑A決定，如圖5所示。

由容量相關參數可確定滾筒尺寸為：滾筒底徑C=80in(2032mm)，輪緣寬度B=70in(1778mm)，滾筒外徑為140in(3556mm)。對2in的連續管，外徑為50.8mm，則使用上述滾筒，每層可纏繞35圈的連續管。按照該滾筒的設計纏繞容量4600m，可計算出2in連續管在其上的纏繞層數、纏繞長度和纏繞重量的數據，如表2所示。

1.3.3滾筒筒芯結構

圖6 滾筒筒芯結構示意圖

圖7 滾筒筒身單元受力平衡圖

吊耳焊接在滾筒體上，快接盤焊接在吊耳的正下方，其中滾筒筒芯上的快接盤用來與底座上的快接盤通過中間的大圓孔進行定位，又根據之前的筒芯尺寸計算，其結構如圖6所示。

1.4 快換原理

滾筒筒芯自身的快接盤與底座的快接盤通過插裝銷軸連接，實現滾筒的轉動和裝卸。液壓馬達通過減速器驅動快接盤轉動，再通過快接盤的轉動帶動滾筒的旋轉。在拆卸滾筒前，首先需要從注入頭上卸掉油管，保證油管端部始終牢固；用鏈條把繞在滾筒上的外層油管固定好；用吊帶把吊耳連接到平衡梁的上部卡子上，再把吊帶從平衡梁連接到滾筒吊耳上，并保證吊耳向上；安裝好叉桿銷，保證定位銷就位、固定。待吊車起到能夠保證筒芯不會落于地面的安全位置后，再將銷軸卸下,使得2個快接盤分開,再把筒芯移至到規定區域,這樣就實現了滾筒的快速拆卸的過程。

2 快換式滾筒的受力分析

當滾筒旋轉起升和下降連續管時，筒芯纏繞的連續管會對筒身產生徑向壓力，同時對側板產生軸向擠壓力。此外滾筒還會受到彎矩和扭矩的作用，由于其產生的應力很小，所以在計算時可以忽略不計。

2.1 筒芯纏繞連續管對筒身的壓力

假設每圈連續管對筒身的壓力均勻作用在寬度為d(連續管外徑)的圓環上，則該圓環的受力平衡條件如圖7所示，兩端連續管的拉力N1與環對連續管的反力的垂直分力相平衡[8]：

(1)

當纏繞n層時，其公式為[8]：

(2)

圖8 筒身纏繞2層連續管后的受力分析圖

式中，Prn為纏繞n層連續管后滾筒筒身受到的壓力，MPa；Nk為第k層連續管受到的拉力，N；uk為纏繞k層連續管后滾筒筒身的徑向位移，mm；E2為連續管的彈性模量，MPa。

2.2 筒芯纏繞連續管對側板的擠壓力

當筒身上只纏繞1層連續管時，沒有對側板產生擠壓力。當纏繞第2層連續管時，其對第1層連續管產生的擠壓力Fr2的分力即第1層連續管對滾筒側板產生的擠壓力為Fz2,如圖8所示，計算式[8]如下：

(3)

當纏繞n層時，其公式為[8]：

(4)

式中，A為連續管的橫截面積，mm2；Pzn為纏繞n層連續管后滾筒擋板受到的擠壓力，N。

在理想的情況下，假設取每層連續管所受到的拉力大小相同，取值為15000N。通過Excel運算公式計算可得出纏繞每層對應的徑向壓力和擠壓力，其具體結果如表2所示，其中3～14層所對應的數值省略。2in的連續管纏繞4600m時，滾筒筒身受到約為0.209MPa的壓力，擋板受到12732N的擠壓力。

表2 連續管纏繞層數、長度、重量以及擋板所受的軸向力

2.3 風載荷

與常規滾筒最大的區別在于該滾筒需要考慮其在快換過程中的吊裝，此時主要受力為重力和風載荷。當該滾筒應用于海洋平臺時，要求不能超過8級風作業，通過查表得知8級風速大小為17.2～20.7m/s[9]，取最大值20.7m/s。對風載荷在快換滾筒吊裝時的靜力影響進行了分析，其風載荷F、偏擺角θ公式分別為：

(5)

(6)

式中，F為作用在井架上的風載，N；ρ為空氣密度，kg/m3;G為筒芯的重量，N；Ch為高度系數；Cs為形狀系數，取1.25；Vk為風速，m/s；A為垂直于風向的迎風面積，m2。

通過查高度系數表[10]，考慮最大極限工況吊裝40m所對應的Ch取1.2，Cs取1.25，Vk取20.7m/s，考慮到滾筒吊裝時有2種迎風情況，即風垂直于滾筒直輪緣內側寬度和風垂直于滾筒外徑，其面積分別為6.287m2和9.815m2；對應的風載荷F分別為2475.76N和3865.05N；偏擺角θ分別為0.5°和0.8°，為安全起見，可取偏擺角為1°。

3 快換式滾筒的有限元分析

3.1 快換式滾筒有限元模型

圖9 滾筒體有限元模型

在不影響計算結果的基礎上，對滾筒模型進行適當簡化，利用AnsysWorkbench軟件對滾筒進行靜力學強度分析。通過查閱機械設計手冊及參考實際工況，選取滾筒整體的材料為Q345B，為低合金鋼，屈服強度≥345MPa，抗拉強度為450～630MPa，泊松比為0.27，彈性模量E=206GPa。有限元單元大小取60mm，采用自動劃分網格模式劃分網格，其生成的網格疏密均勻，網格節點總數為310183，單元數為106411。

主要通過圓柱坐標建立邊界條件：快接盤端面固定約束；筒芯上半部受到15層連續管的重量24t；筒芯施加軸向和徑向約束(即X，Z方向約束，Y方向自由)；筒身整體受到連續管的擠壓力約為0.209MPa；側板受到擠壓力約為12732N,如圖9所示。

3.2 工況分析

快換式滾筒有2種工況：一種是常規工作工況，一種是快換時的吊裝工況。2種工況所受到的載荷條件略有不同，具體如表3所示。

表3 滾筒在2種工況下的所受載荷對比

3.3 工作時快換式滾筒有限元分析

下面計算滾筒在承受最大載荷的極限工況下(纏繞2in-4600m的連續管時)的應力和變形情況。由圖10可知，其最大變形量為0.59mm，在筒芯中心部位。由于滾筒材料為Q345B，參考工程實踐，選取安全系數為1.7，則滾筒設計最大的許用應力為345/1.7=203MPa。由圖11可知最大應力為198.92MPa，位于吊耳底端與吊耳旁的筋桿交匯角。由于小于最大許用應力203MPa，該滾筒強度符合設計要求。

3.4 吊裝時快換式滾筒有限元分析

快換滾筒與常規滾筒的最大不同在于吊裝工況，當筒芯通過吊車進行更換時，其受到的風載需要考慮進去。其風載大小根據上節理論計算取3865.05N，加載到模型中，約束面為吊耳的2個孔，通過Workbench分析可得到其應力和變形情況：由圖12可得最大變形量為0.244mm，圖13可知吊裝工況下最大應力值為127.98MPa，位于筒身內徑的半圓弧與吊耳旁的筋桿交匯角。由于小于最大許用應力203MPa，該滾筒強度符合設計要求。

4 結論

1)計了一種新型的連續管快換式滾筒結構，其優點為結構集成化，快換時定位方式簡單，拆裝更換方式安全。

圖10 工作時滾筒體位移云圖 圖11 工作時滾筒體應力云圖

圖12 吊裝時滾筒體位移云圖 圖13 吊裝時滾筒體應力云圖

2)該快換式滾筒結構采用新型的快接盤連接方式，筒芯的快接盤與底座的快接盤通過一個中心孔插裝銷軸進行連接，結構新穎，安全可靠。

3)通過計算工作時纏繞連續管后筒身所受壓力、滾筒側板所受擠壓力以及吊裝滾筒所受風載，采用Workbench軟件進行靜力分析。分析結果表明，在工作和吊裝2種工況下，該滾筒結構強度滿足要求。

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