連續管與夾持塊干涉的應力應變分析

周志宏，彭雄文

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

連續管在使用過程中，出現了如圖1所示的連續管拉斷現象。分析表明，這種拉斷既不是違規操作引起的，也不是在連續管剛出井口時最大拉伸力時產生的，因為井口記錄的管柱載荷沒有出現拉伸超載的現象。另外，假如是在注入頭以下的井口拉斷，井口以下的連續管必然掉入井中，造成重大事故。因此，推斷這種拉斷是在注入頭以上形成的。

圖1 連續管拉斷圖片

在作業時，連續管是依靠與鏈條上安裝夾持塊的摩擦力，通過鏈條傳動將連續管提出或注入井中，所以夾持塊和連續管的接觸狀況非常重要。國內一些學者對夾持塊和連續管的接觸問題進行了研究。2011年蔣發光等[1]建立了連續管夾持塊載荷與邊界有限元模型，得出了連續管最大應力隨夾持塊夾持直徑變化的趨勢，并對管-塊夾持等效正壓力進行了計算。2013年許立等[2]利用ADAMS 對注入頭鏈條滾子質心和浮動壓板鉸接孔處的載荷變化規律進行了研究，找到了鏈條滾子和浮動壓板各自最大應力出現的位置及原因。2015年張宏等[3]對注入頭夾緊系統的載荷均布進行了設計，并對夾持塊的各參數進行了優化計算。2015年施志輝等[4]對注入頭的管塊夾持模型進行了研究，通過有限元分析，得出具有圓弧形結構、溝槽型夾持面的夾持塊夾持效果較好。上述文獻研究了夾持塊與油管之間的載荷分布和參數的關系，對夾持塊和油管的干涉并未作討論。2012年任潤等[5]利用Matlab對夾持塊與油管之間的切入角進行了優化，得出了夾持塊與油管不干涉的最優切入角，但未討論連續管在什么情況下干涉以及如何影響連續管損傷的問題。筆者用有限元方法分析連續管-夾持塊系統在切出時的干涉現象，提出一種連續管失效可能的原因，為避免連續管這種類型的過早失效提供理論基礎。

1 連續管-夾持塊系統分析

1.1 連續管夾持塊類型與結構

圖2 單雙節距夾持塊結構示意圖

圖3 連續管夾持塊切出時示意圖

圖4 夾持塊轉動后連續管的Mises應變

夾持塊是一塊有半圓弧面的零件，依靠半圓弧面與連續管的外壁接觸提供摩擦力。接觸力越大，摩擦力越大。接觸力又與接觸壓力以及接觸面的大小有關：在一定的摩擦力和摩擦系數的情況下，接觸面越大，需要的接觸壓力越小，對連續管的損傷也越小。夾持塊的長度受鏈條節距的影響，常見的夾持塊有單節距夾持塊和雙節距夾持塊2種。夾持塊的長度小于1個鏈節的，稱為單節距夾持塊；夾持塊的長度大于1個鏈節、小于2個鏈節的稱為雙節距夾持塊。顯然，單節距夾持塊比雙節距夾持塊繞任意一個銷軸轉動對夾持塊端部的影響要小。

1.2 連續管夾持塊切出角

連續管作業機運行時，連續管注入頭負責將連續管安全地送入井中，以及將連續管從井中順利起出。動力由電動機帶動鏈輪鏈條傳動，在鏈條上安裝的夾持塊夾持油管，提供必要的摩擦力使油管運動。為保證有足夠的摩擦力提升連續管，在夾持塊和連續管之間有夾緊力，夾緊力通過壓板或滑輪組實現。為保證鏈條的傳動，還必須利用張緊油缸對整個鏈條進行張緊。對于單節距夾持塊，鏈條傳動是一個鏈節作為剛體運動；如果是雙節距夾持塊，夾持塊繞銷軸作剛體運動。在進入夾緊連續管和離開夾緊連續管時鏈節會繞一個銷軸發生一定角度的轉動，這種轉動會帶來一定的干涉(圖2)。

圖3中的夾持塊為兩個鏈節的，即夾持塊的長度大于一個鏈節。從橢圓圈出的部分可以看出，在夾持塊切出時，夾持塊的轉動在垂直于油管軸線的面上會侵入連續管，而在油管的軸線方向，夾持塊端部會有一個較大的位移，這兩者組合起來會對連續管的應力應變起較大作用。雙節距夾持塊的這種現象尤為明顯。夾持塊端部切入切出的干涉會引起連續管應力應變的變化，有可能造成連續管表面損傷或引起連續管的疲勞破壞甚至拉斷。

2 夾持塊應力應變分析

有限元計算方法：假設有2個夾持塊，2個夾持塊同時加上夾持力，再將1個夾持塊繞旋轉軸轉動。根據對稱性，只需建立1/4模型，先在夾持塊后端加上面載荷使其面總載荷為夾持力的1/4。

以雙節距夾持塊為例進行分析，假定鏈條的節距為50.8mm，x=60mm，h=20mm；假定單個夾持塊載荷為45kN；如果1個夾持塊轉動2°，油管的Mises應變如圖4所示?？梢钥闯?，在干涉部位，連續管的Mises應變達到接近0.03，這個應變值可能使連續管的損傷大大加速，如果在連續管的某個深度反復起升與注入，勢必在這個區域反復產生高應變循環，連續管就會很快斷裂。

假定h=15mm，夾持塊在繞鏈節轉動時，連續管軸線距鏈節轉動中心距離x的影響如圖5所示?？梢钥闯?，當x= 55mm時，應變為0.0243，隨著x的增大，最大應變減小；當x= 95mm時，應變為0.0227。

假定x=60mm，連續管最大應變與夾持塊端部距轉動中心的軸線方向距離h的關系如圖6所示。顯示了切入切出角度α為1°和2°時最大應變與夾持塊端部到鏈節轉動中心軸向距離h的關系。隨著h的增加，最大應變增加。當切出角2°，h=5mm時，最大應變僅為0.00313；當h=20mm，切出角同樣為2°時,最大應變為0.0359。當h=20mm，切出角度由2°下降到1°時，最大應變降低到原來的41%，約0.0148。

圖5 連續管最大應變與夾持塊鏈節轉動中心和連續管軸線距離x的關系 圖6 連續管最大應變與夾持塊端部距轉動中心的軸線方向距離h的關系

3 實例分析

某連續管作業機的注入頭在沒安裝夾持塊之前如圖7(a)所示，安裝了夾持塊后注入頭底部夾持塊的切入如圖7(b)所示。

經測量，該注入頭參數h= 20mm，x= 60mm，α= 1.7°，插值可得最大應變為0.029，比連續管彎曲時的軸向應變(0.016)要大，反復的加載、卸載可能導致比彎曲疲勞更快的失效。

如果在較大的內壓作用下，連續管在彎曲和拉直時會發生直徑增長，按連續管的直徑限制，最大可增長5%，在該情況下，連續管與夾持塊的接觸點發生變化，切入切出角α′也將變大，如圖8所示，更容易引起連續管的咬傷、疲勞和拉斷。

圖8 連續管直徑增長后切出角變化示意圖

4 結論

1)分析了雙節距的連續管夾持塊在切出過程中夾持塊與連續管之間的干涉所產生的影響，發現夾持塊端部可能會侵入連續管而且會產生較大的端部軸向位移。切出角比較大時，在連續管中會有較大的應變，應變將加速連續管的疲勞破壞甚至將連續管拉斷。

2)建議連續管夾持塊采用單節距；若采用雙節距夾持塊時，切入切出角應不大于1°；連續管工作時，嚴格監測連續管的直徑變化，采取措施，防止連續管發生表面咬傷。

[參考文獻]

[1]蔣發光，梁政，張梁，等.連續油管注入頭管-塊配合研究[J].西南石油大學學報(自然科學版)，2011，33( 1) : 161～164.

[2] 許立,張文波,施志輝.連續油管注入頭夾緊機構力學分析[J].機械設計與制造,2013,51(11) : 44～46.

[3] 張宏，賀會群，李遠舟，等. 連續管鉆機注入頭夾緊系統載荷均布設計方法[J].石油機械，2015，43(2):1～4.

[4] 施志輝，張真真，許立. 注入頭管塊夾持提升系統受力及結構分析[J]. 大連交通大學學報, 2015, 36(5):38～41.

[5] 任潤，劉寶娣. 連續油管作業機注入頭切入角分析研究[J]. 機械工程師, 2012，44(6):88～89.