油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺研制

劉秀全，　陳國明，　暢元江

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580)

0　引　言

油氣管柱是石油與天然氣勘探開發的關鍵裝備，主要包括鉆桿、鉆井隔水管、海洋立管等。實際工作中，油氣管柱受到作業載荷、環境載荷等動態載荷的影響，易發生油氣管柱疲勞失效事故[1-5]。

為了準確評估油氣管柱疲勞損傷，需要開展油氣管柱疲勞實驗，確定油氣管柱的疲勞性能S-N曲線。目前，常規疲勞實驗方法主要包括軸向拉伸疲勞實驗法、4點彎曲疲勞實驗法和旋轉彎曲疲勞實驗法，可開展小尺寸縮比的油氣管柱疲勞性能實驗，但存在實驗效率低、能耗高的缺點，且不適用于全尺寸油氣管柱疲勞性能測試，而共振彎曲疲勞實驗法則為油氣管柱疲勞實驗提供一種行之有效的解決方案[6-9]。因此，為了提高油氣管柱疲勞科學研究實驗基礎，并為油氣管柱疲勞提供良好的教學實驗平臺，研制了一套油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺。

1　實驗原理

當機械系統所受激勵載荷的頻率與該系統的固有頻率接近時，機械系統會呈現振幅顯著增大的共振現象。為此，開展油氣管柱共振彎曲疲勞實驗時，可以對油氣管柱試件旋轉激勵載荷，當旋轉激勵載荷的頻率接近試件固有頻率時試件發生共振，較小的能量輸入即可引起油氣管柱試件截面出現較大的交變應力，進而產生疲勞損傷，并通過合理地設計油氣管柱試件以提高油氣管柱試件共振頻率，從而低能耗并高效地開展油氣管柱疲勞性能實驗[6]。

實驗平臺由試件、傳動系統、支撐系統、安全防護系統以及測控系統組成(見圖1)。傳動系統中的電動機為實驗提供動力，帶動偏心質量塊旋轉，動載室將偏心質量塊引起的離心激勵力傳遞至油氣管柱試件，靜載室用于平衡動載室和偏心質量塊的質量；支撐系統主要用于支撐油氣管柱試件，并具備一定的減振功能；安全防護系統用于防止傳動系統的偏心質量塊旋轉以及試件破壞造成的安全危害；測控系統用于采集實驗數據并對實驗平臺進行控制，通過合理的控制電機轉速，保持偏心質量塊的激勵載荷頻率接近試件固有頻率，以達到試件共振彎曲疲勞實驗的目的。

圖1　共振彎曲疲勞實驗臺模型

2　實驗裝置設計

2.1　試　件

采用模態分析法開展油氣管柱試件設計，通過合理的選取油氣管柱試件參數滿足以下兩個要求：① 確定試件的一階固有頻率(共振頻率)。為了提高試件的疲勞實驗效率常保持共振頻率在較高的水平，一般為10～40 Hz；② 確定試件的一階模態波節。模態波節處試件的振動幅值為零，在此處支撐可以避免試件和支撐系統之間的動態相互作用，支撐系統只支撐試件的質量，即模態波節是試件的最佳支撐點。

油氣管柱模態分析法包括理論法和有限單元法[10-11]，選取有限單元法開展油氣管柱試件模態分析，采用有限元軟件ABAQUS建立油氣管柱試件模態分析模型，確定其一階模態頻率及振型，如圖2所示。其中，試件端部質量塊分別為傳動系統中的動載室和靜載室。根據有限元分析結果確定試件的一階固有頻率和振型，試件一階模態振型的中間位置模態振幅最 大，在靠近兩端處出現模態波節(藍色區域)，此處即為支撐系統的最佳支撐點。

圖2　試件模態分析有限元模型

2.2　傳動系統

傳動系統如圖3所示。傳動系統是為了將電機驅動力傳遞至油氣管柱試件端部，驅動油氣管柱試件發生共振。整個傳動系統主要包括聯軸器、傳動軸、偏心塊、滾動軸承、法蘭和三爪卡盤，電動機輸出軸連接聯軸器，聯軸器的另一端和傳動軸連接，通過電動機驅動傳動軸和偏心質量塊轉動，偏心質量塊在轉動過程中產生離心力，從而驅動油氣管柱試件端部振動，并通過調節電動機轉動頻率以達到驅動油氣管柱試件發生共振的目的。

圖3　傳動系統

2.3　支撐系統

支撐系統如圖4所示。電動機支架用于支撐電動機，試件支撐系統主要用于支撐油氣管柱試件，包括上支架、下支架、支撐卡爪、減振系統、鎖緊系統等。通過合理的支撐系統設計，可以實現以下功能：① 便于安裝油氣管柱試件，支撐系統分為上支架和下支架，并通過螺栓連接，安裝油氣管柱試件時打開上下支架，安裝試件后再連接上下支架。② 實現支撐系統的通用性，支撐架采用無級式螺紋調節的方式來滿足不同外徑試件的夾持要求以及軸心的對中操作。③ 保護整個實驗裝置，提高實驗裝置的疲勞壽命，支撐架下安裝兩個空氣彈簧實現縱向減振，支撐架兩側分別采用兩排線性彈簧實現橫向減振，采用氣墊彈簧和線性彈簧相結合的方式實現支撐系統縱向和橫向的減振功能。

圖4　支撐系統

2.4　安全防護系統

為了貫徹“安全第一，預防為先”的安全管理準則[12-14]，防止實驗過程中試件斷裂以及偏心質量塊損壞對實驗安全的影響，設計安全防護系統，如圖5所示。試件保護架主要用于防止實驗過程中試件意外斷裂，斷裂后試件可以被限制在試件保護架范圍內，以免危害實驗人員安全；同理，傳動系統部分要帶動偏心質量塊高速轉動，也屬于危險區域，設計傳動系統的安全防護室，并在安全防護室側面設計數個貓眼，用于觀察安全防護室內部傳動系統運轉情況。

圖5　安全防護系統

2.5　測控系統

采用WinCC自主開發一套油氣管柱共振彎曲疲勞實驗采集與控制系統，如圖6所示，可以實時采集油氣管柱試件應變信息，并根據試件的振動信息判別試件的振動情況，進而確定實驗控制方案。如在啟動階段，通過控制系統實時采集不同激勵頻率下的試件振動信息，識別振動最劇烈時對應的頻率值，搜索并確定試件共振頻率；實驗過程中，當試件振動信息發生突變時，試件很有可能出現貫穿裂紋或發生斷裂失效，此時控制系統會自動關斷電源，停止實驗。

圖6　測控系統界面

3　實驗平臺測試

根據油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺設計方案，加工、組裝、安裝并調試油氣管柱實驗系統，選取鉆桿作為油氣管柱試件，搭建油氣管柱共振彎曲疲勞實驗臺，如圖7所示。其中，鉆桿長度5 m，外徑88.9 mm，內徑70.2 mm，一階固有頻率為10.8 Hz。共振實驗過程中油氣管柱試件只有公轉運動無自轉運動，沿試件截面方向的應變變化規律一致，只是截面不同位置處有一定的相位差，且試件模態振型沿中線對稱。因此，只需沿1/2段試件軸向布置一定數量的應變片，如圖8所示。

圖7　實驗系統

圖8應變片分布(m)

為了確定油氣管柱的共振實驗狀態，加載頻率從低頻至高頻依次加載，開展不同激勵頻率下的油氣管柱振動實驗，通過應變片測量試件的振動信息，并計算不同頻率下的油氣管柱試件的循環應力幅值，如圖9所示。

由圖9可知，隨著油氣管柱試件頻率的增大，試件 的響應幅值逐漸增大，當到達第一階模態共振頻率附近時試件的響應最大，油氣管柱試件發生明顯的共振現象，實驗共振頻率與計算一階固有頻率基本一致。在共振實驗頻率下進一步提取沿試件長度方向各個監測點的振動響應，獲取共振條件下沿長度方向的試件應變，并與試件模態振型下的相對應變進行對比，如圖10所示。沿試件長度方向中心處的響應最大，向兩側逐漸減小，與模態振型分析結果一致。

圖9　不同頻率下的試件循環應力幅值

圖10　沿試件長度方向的應變

通過開展油氣管柱試件共振實驗，實時監測油氣管柱試件應變。如圖11所示，油氣管柱試件應變變化規律呈規則正弦波形式，通過對試件應變數據的采集、存儲和處理，將應變信息轉化為試件動態循環應力，并通過疲勞損傷計算公式可以確定試件的疲勞損傷信息，以達到疲勞實驗的目的[15]，可表示為：

D=NSm/C

其中：D為疲勞損傷；N為循環次數；S為疲勞應力；m和C為疲勞S-N曲線中的常數。

圖11　隔水管動態應變

4　結　語

基于共振原理研制了一套油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺，主要由油氣管柱試件、傳動系統、支撐系統、安全防護系統以及測控系統組成，可低能耗并高效地實現不同尺寸油氣管柱的共振彎曲疲勞實驗，并根據實驗監測數據確定其疲勞性能，為油氣管柱疲勞性能測試提供良好的實驗平臺。

科研成果反哺教學是科學研究的一項本質工作，將油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺用于高校石油機械工程專業的實驗教學，依托此實驗平臺學生可依次完成油氣管柱試件模態分析、支撐點設計、試件安裝、共振頻率搜索、實驗數據采集與疲勞損傷計算，可使學生直觀地認識油氣管柱共振現象，并通過科學實驗深刻理解油氣管柱疲勞損傷過程，實現理論與實驗教學的有機結合，對培養學生科學實驗能力起到積極的作用。

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