大容量連續油管滾筒的研究

□ 楊曉剛 張 偉 □ 張小龍 □ 武衛衛 □ 郭 冬

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

1 研究背景

自第一臺連續油管作業設備問世以來,連續油管技術和連續油管作業機至今已有50多年歷史,國內開展連續油管技術與裝備的研究、開發也有近30年時間。連續油管技術具有很多優勢,幾乎應用于勘探開發的各個領域,由此,連續油管作業機被稱為萬能作業機[1-2]。連續油管滾筒作為連續油管作業機的一個核心設備,在連續油管作業機作業過程中發揮著不可或缺的作用。

連續油管滾筒的主要功能是儲存和運輸連續油管,目前的研究發展方向有兩個,一個是在現有運輸條件下增大連續油管滾筒的容量,另一個是在連續油管滾筒容量一定的條件下優化滾筒結構,實現輕量化設計的目標。由于道路運輸和車輛行駛等條件的限制,連續油管滾筒的設計有很多困難。目前,連續油管滾筒有的采用整體下沉式結構[3],也有的采用升降式結構[4],這些設計都是從滾筒筒體的外部結構進行考慮的。筆者從滾筒筒體自身結構出發,設計了一種橢圓形滾筒來增大容量。

2 主體結構

以直徑50.8 mm、壁厚3.2 mm的連續油管為例,根據標準SY/T 6761—2014 《連續管作業機》和SY/T 6698—2007 《油氣井用連續管作業推薦作法》的要求,連續油管滾筒筒體中心半徑至少應為連續油管直徑的20倍,所以滾筒筒體內徑為2 030 mm。傳統圓形滾筒和新型橢圓形滾筒主體結構分別如圖1、圖2所示。

▲圖1 圓形滾筒主體結構

▲圖2 橢圓形滾筒主體結構

以半掛車為承載工具,根據標準GB/T 23336—2009 《半掛車通用技術條件》要求,滾筒運輸時離地距離不小于320 mm。

橢圓形滾筒運輸時,長軸保持水平,短軸與地面保持豎直,這樣既可以保證滾筒容量,又能夠解決滾筒運輸高度的限制。

橢圓形滾筒和圓形滾筒運輸、工作狀態如圖3～圖5所示。

▲圖4 橢圓形滾筒工作狀態

▲圖5 圓形滾筒運輸和工作狀態

3 容量

兩種連續油管滾筒筒體外形尺寸基本相當,對于直徑為50.8 mm的連續油管而言,橢圓形滾筒最大容量為5 800 m,比圓形滾筒大700 m[5]。

4 模態分析

模態分析作為結構振動特性分析、故障診斷和結構參數優化的重要手段,是系統辨別方法在振動領域的重要應用。模態分析主要用于求解結構的各階模態,包括固有頻率、阻尼比及振型,目的是避免結構產生共振。由彈性力學有限元法,可知模態分析的控制方程為:

(1)

若無外力作用,令式(1)中F(t)為0,則得到系統的自由振動方程。在求解自由振動的固有頻率和振型時,阻尼的影響不大,因此阻尼項可以忽略,則無阻尼自由振動的運動方程為:

(2)

其對應的特征方程為:

(3)

式中:ωi為系統第i階模態的固有頻率。

這種結構振動可以表達為各階固有振型的線性組合,其中低階振型對結構振動的影響較大,對結構的動態特性起主導作用[6]。對結構進行模態分析,一般取前五階至前十階固有頻率和振型,基本可以滿足精度要求[7-9]。

滾筒材料選用Q345鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。選用SOLID187十節點四面體實體單元對滾筒結構進行自由劃分網格。

對高速旋轉體進行固有頻率分析,必須考慮非線性模態分析[10]。由于連續油管滾筒工作旋轉轉速一般不高于15 r/min,低速旋轉工況下可以忽略非線性影響,因此按靜態工況求解振動模態完全能夠滿足設計要求。

圓形滾筒前六階振型如圖6～圖11所示,橢圓形滾筒前六階振型如圖12～圖17所示,兩種滾筒前十階固有頻率、振型和最大振幅見表1,兩種滾筒前十階固有頻率和最大振幅對比分別如圖18、圖19所示。

▲圖6 圓形滾筒一階振型

▲圖7 圓形滾筒二階振型

▲圖8 圓形滾筒三階振型

▲圖9 圓形滾筒四階振型

▲圖10 圓形滾筒五階振型

▲圖11 圓形滾筒六階振型

▲圖12 橢圓形滾筒一階振型

▲圖13 橢圓形滾筒二階振型

▲圖14 橢圓形滾筒三階振型

▲圖15 橢圓形滾筒四階振型

▲圖16 橢圓形滾筒五階振型

▲圖17 橢圓形滾筒六階振型

由表1和圖18、圖19可以看出,橢圓形滾筒前十階固有頻率為14～30 Hz,最大振幅平均值為2.173 mm;圓形滾筒前十階固有頻率為20～50 Hz,最大振幅平均值為3.072 mm。相比圓形滾筒,橢圓形滾筒前十階固有頻率有所降低。

表1 滾筒前十階固有頻率、振型和最大振幅

▲圖18 滾筒前十階固有頻率對比

▲圖19 滾筒前十階最大振幅對比

5 結束語

在兩種連續油管滾筒筒體外形尺寸相同的條件下,橢圓形滾筒最大容量比圓形滾筒大。如果選用的連續油管外徑小,那么橢圓形滾筒比圓形滾筒在容量方面的優勢更加明顯,因此采用橢圓形滾筒對于增大滾筒容量而言是一種簡單有效的途徑。

滾筒驅動力取自承載車動力,柴油發動機的振動頻率一般為25～35 Hz。橢圓形滾筒的低階振動頻率范圍相比圓形滾筒更為遠離柴油發動機的振動頻率,這對于滾筒運輸和工作狀況都是有利的。與圓形滾筒相比,橢圓形滾筒的各階振型變化不大,最大振幅也較小,可見橢圓形滾筒結構設計是合理的。

在道路運輸和車輛行駛條件限制,滾筒容量一定的條件下,采用橢圓形滾筒可以使滾筒總體尺寸更小,結構更加緊湊,且更加方便運輸與吊裝,這為后續連續油管滾筒的設計提供了一定的理論依據和參考。