帕爾曼式聲波防蠟器振動(dòng)彈片固有頻率分析

朱岸昌，陳聲明，劉家意，金華春，黃天成，石應(yīng)華

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營257231；2.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023）

0 引言

我國各油田所產(chǎn)原油，大多屬于含蠟原油，據(jù)統(tǒng)計(jì)，含蠟量高于10%的原油約占全國原油總產(chǎn)量的90%，含蠟原油油井在開采過程中需要進(jìn)行清防蠟作業(yè)才能維持正常生產(chǎn)[1]。目前針對(duì)含蠟油井的清防蠟方法主要有化學(xué)方法、物理方法及微生物防蠟方法3種類型[2-3]。各種不同類型的清防蠟方法在一定的時(shí)期和特定的環(huán)境下都起到了油井清防蠟的作用，但各種方法或多或少都存在一定的問題，聲波清防蠟技術(shù)正是在這樣的條件下產(chǎn)生的，超聲波可以打斷長鏈蠟分子結(jié)構(gòu)，改變蠟晶形態(tài)，抑制蠟晶生長，有效地降低原油的黏度，且不易回復(fù)，從而能較大幅度地減小原油在管路中的流動(dòng)阻力，在不污染地層的前提下減小原油管輸過程中的能耗[4-7]。

超聲波防蠟器有磁致伸縮式、壓電晶體式及流體動(dòng)力式等類型，由于電磁式和壓電晶體式聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要較長的電纜將高頻電脈沖輸送到井下，導(dǎo)致其在使用時(shí)具有很大的局限性，流體動(dòng)力式聲波防蠟器是以井下高速流體作為動(dòng)力源，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低及使用方便等特點(diǎn)，因此可以將其應(yīng)用于井下含蠟原油的開采[8]。流體動(dòng)力式聲波發(fā)生器主要有哈特曼式、帕爾曼式及旋笛式等幾種類型[9-10]，本文以帕爾曼式流體動(dòng)力式聲波發(fā)生器為研究對(duì)象，對(duì)其核心部件振動(dòng)彈片的固有頻率進(jìn)行分析計(jì)算，為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論支撐。

1 防蠟器結(jié)構(gòu)及工作原理

帕爾曼聲波發(fā)生器主要由上下接頭、收縮噴嘴和振動(dòng)彈片等零部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 帕爾曼聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)一定壓力的流體通過收縮噴嘴噴射之后，流體的速度將增大，高速流體在噴嘴兩側(cè)產(chǎn)生兩串渦流，且渦流的旋轉(zhuǎn)方向相反，由于旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流作用使噴嘴處的射流產(chǎn)生脈動(dòng)性振動(dòng)，從而帶動(dòng)振動(dòng)彈片產(chǎn)生振動(dòng)。射流脈動(dòng)頻率主要由射流速度和噴嘴的幾何尺寸決定，振動(dòng)彈片的固有頻率主要由其幾何尺寸及固定形式?jīng)Q定，當(dāng)射流脈動(dòng)性振動(dòng)的頻率與振動(dòng)彈片的固有頻率接近或相等時(shí)，振動(dòng)彈片將產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲波。

2 振動(dòng)彈片有限元模型

本文以某型號(hào)的帕爾曼式聲波發(fā)生器為研究對(duì)象，其振動(dòng)彈片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了方便研究不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)固有頻率的影響，采用ANSYS APDL語言創(chuàng)建了其參數(shù)化幾何模型。

圖2 振動(dòng)彈片幾何結(jié)構(gòu)

振動(dòng)彈片所用材料的彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7 850 kg/m3。根據(jù)振動(dòng)彈片的實(shí)際工作情況，對(duì)其4個(gè)支腳的上下表面進(jìn)行全約束，然后采用單元Solid45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，振動(dòng)彈片約束施加及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 振動(dòng)彈片網(wǎng)格劃分及約束施加

3 振動(dòng)彈片模態(tài)分析結(jié)果

在現(xiàn)有振動(dòng)彈片結(jié)構(gòu)及幾何尺寸的基礎(chǔ)上，本文主要分析振動(dòng)彈片尖劈角度、長度、寬度和厚度的變化對(duì)其固有頻率的影響。

3.1 尖劈角度對(duì)振動(dòng)彈片固有頻率的影響

在其他參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，分別取尖劈角度為35°、40°、45°、50°、55°、60°及65°七種情況進(jìn)行分析，分別提取前7階固有頻率，分析結(jié)果如圖4所示。由圖可知，隨著振動(dòng)彈片尖劈角度的增大，其各階固有頻率均有所減小，但是減小幅度不大，說明尖劈角度的變化對(duì)振動(dòng)彈片的固有頻率影響不大。

圖4 不同尖劈角度下振動(dòng)彈片各階固有頻率

3.2 長度對(duì)振動(dòng)彈片固有頻率的影響

在其他參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，分別取長度為27 mm、30 mm、33 mm、36 mm、39 mm、42 mm及45 mm七種情況進(jìn)行分析，分別提取前7階固有頻率，分析結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著振動(dòng)彈片長度的增大，其各階固有頻率均有所減小，且階數(shù)越大，減小的幅度也越大，因此振動(dòng)彈片長度的變化可以作為調(diào)整其固有頻率的一個(gè)因素。

圖5 不同長度下振動(dòng)彈片各階固有頻率

3.3 寬度對(duì)振動(dòng)彈片固有頻率的影響

由于寬度尺寸受防蠟器外形尺寸影響，最大不能超過38 mm，因此在其他參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，分別取寬度為38 mm、36 mm、34 mm、32 mm、30 mm、28 mm及26 mm七種情況進(jìn)行分析，分別提取前7階固有頻率，分析結(jié)果如圖6所示。由圖可知，隨著振動(dòng)彈片寬度的增大，其各階固有頻率均有所減小，且階數(shù)越大，減小的幅度也越大，因此振動(dòng)彈片寬度的變化可以作為調(diào)整其固有頻率的一個(gè)因素。

圖6 速度階躍響應(yīng)曲線Fig.6 Speed step response curve

圖6 不同寬度下振動(dòng)彈片各階固有頻率

3.4 厚度對(duì)振動(dòng)彈片固有頻率的影響

在其他參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，分別取厚度為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm及4.0 mm七種情況進(jìn)行分析，分別提取前7階固有頻率，分析結(jié)果如圖7所示。由圖可知，隨著振動(dòng)彈片厚度的增大，其各階固有頻率均有所增大，而且固有頻率增加的幅度較大，且階數(shù)越大，增加的幅度也越大，因此振動(dòng)彈片厚度的變化可以作為調(diào)整其固有頻率的一個(gè)因素。

圖7 不同厚度下振動(dòng)彈片各階固有頻率

4 結(jié)束語

（1）本文根據(jù)帕爾曼式聲波發(fā)生器振動(dòng)彈片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用APDL語言建立了其參數(shù)化模型，為研究不同幾何尺寸對(duì)其固有頻率的影響提供了支撐。

（2）通過振動(dòng)彈片模態(tài)分析可得尖劈角度對(duì)其固有頻率影響較小，而長度、寬度及厚度對(duì)其固有頻率相對(duì)影響較大，根據(jù)各參數(shù)對(duì)固有頻率的影響規(guī)律，可以由不同的射流脈動(dòng)性振動(dòng)頻率來確定振動(dòng)彈片的幾何尺寸，使其固有頻率相對(duì)或接近，從而使帕爾曼式聲波防蠟器達(dá)到最優(yōu)的工作效果。