試井鋼絲疲勞試驗機的研制及應用

譚健， 李國， 杜涓， 唐光華， 文蜀江， 黃晶

（1.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院，成都 610000；2.國家能源高含硫開采研發中心，成都 610000；3.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧 629000）

0 引言

試井鋼絲能夠完成井下節流器、堵塞器、壓力計等井下工具投放打撈作業[5]。在使用過程中，由于試井鋼絲經過天滑輪和地滑輪反復拉伸和磨損，試井鋼絲出現應力疲勞、絲徑變細等現象，導致其承載能力下降，可能發生突然斷裂，引起井下事故的發生。目前SY/T 5170—2013《石油天然氣工業用鋼絲繩》[1]中介紹了試井鋼絲的檢測方法，截取整盤鋼絲前端的幾米進行拉斷試驗，沒有結合試井鋼絲使用工況進行測試研究，不能真實反映整盤試井鋼絲的力學性能。傅泉臻等國內一些學者針對鋼絲繩使用方式、使用場合不同，研制了不同的鋼絲繩疲勞試驗機[2-4]。但是鋼絲繩是鋼絲按照一定的規則捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，試井鋼絲是單根鋼絲，二者材質、力學性能和使用方式等各不相同。鋼絲繩疲勞試驗機運動速度、試驗輪位置、大小和試井鋼絲作業完全不同，不能真實模擬試井鋼絲作業工況。

本文針對試井鋼絲不同作業工況，研制了試井鋼絲疲勞試驗機，真實模擬試井鋼絲在不同工況下的受力過程，幫助操作人員掌握試井鋼絲疲勞性能，及時消除繩索作業的安全隱患。

1 試井鋼絲作業工況

鋼絲作業是把試井鋼絲纏繞在絞車卷筒上，絞車提供機械動力，促使卷筒正反向旋轉，釋放和回收試井鋼絲，完成對井下工具上提、下放和快速震擊等操作。作業前，將卷筒上的鋼絲穿過地滑輪、天滑輪和井口防噴系統后，與工具串頂部的繩帽頭連接。下放工具時，依靠工具串自身的重力帶動鋼絲下井，試井鋼絲運動速度基本勻速，受力恒定；上提工具時，依靠絞車拉動鋼絲和工具串向上運動，試井鋼絲運動速度基本勻速，受力恒定；坐封工具時，單純地向上繃緊鋼絲或者靠工具自身重力向下壓無法完成，必須依靠震擊器，震擊瞬間，試井鋼絲運動速度加速，受力突變。以上是試井鋼絲作業3種主要作業工況。

絞車內設置有深度計數裝置和拉力顯示裝置。操作手坐在絞車內控制滾筒轉動，通過深度計數裝置觀察工具串的下井深度；通過拉力指重表觀察鋼絲上承受的拉力，保證拉力值在鋼絲可承受范圍以內。隨著工具串不同，試井鋼絲承受載荷不同；隨著作業工況的不同，在天滑輪和地滑輪處摩擦程度和彎曲次數不同，不同使用時間和工況，導致試井鋼絲力學性能發生變化，及時掌握試井鋼絲力學性能，有助于幫助操作手及時掌握鋼絲的承受能力范圍，指導現場施工。

圖1 鋼絲作業施工圖

2 技術分析

試井鋼絲疲勞試驗機包括機架及安裝在機架上的模擬試驗系統、數據采集系統、控制系統和防護罩。通過配重塊重力模擬試井鋼絲在現場作業中的承重情況，通過天滑輪、地滑輪模擬試井鋼絲對工具串的彎曲和磨損過程，通過控制配重塊往返運動模擬試井鋼絲對工具作業過程，以此實現對不同工況下試井鋼絲的疲勞模擬試驗：當試井鋼絲勻速拉升配重塊時模擬試井鋼絲上提工具串，當試井鋼絲勻速下放配重塊時模擬試井鋼絲下放工具串，當配重塊達到指定位置停止瞬間，配重塊沖擊地面，模擬鋼絲作業震擊過程。

2.1 模擬試驗系統

模擬試驗系統包括機架及安裝在機架上的試驗輪和配重塊。試驗輪尺寸和材質可根據試驗要求進行更換；試驗輪位置與繩索作業現場所用天滑輪和地滑輪相對應，試井鋼絲在卷筒和地滑輪之間處于水平狀態，配重塊和天滑輪之間處于垂直狀態；配重塊為不同質量的標準砝碼，根據試驗要求進行添加；試驗過程中配重塊模擬井下工具串以不同速度往返運動，以模擬現場不同作業工況。

2.2 數據采集系統

數據采集系統包括傳感器、信號轉換模塊、信號傳輸模塊、采集板卡。運行過程中通過試井鋼絲往返運動方向的變化，記錄試井鋼絲疲勞試驗次數。

2.3 控制系統

控制系統包含電源、變頻電動機、減速機、拉線傳感器、冷風機。變頻電動機為試驗提供動力，減速機控制配重塊的起停來模擬試井鋼絲的變速運動過程，拉線傳感器控制配重塊運動位置。

2.3.1 變頻電動機選型

根據作業工況, 假設試井鋼絲運行速度為12 m/min，最大載荷為1000 kg，滾筒半徑為0.3 m。電動機功率P=Fv=mgv=1000×9.8×0.2=1960 W。考慮機械效率和傳動系統自身慣量一般為2倍以上驅動能力，同時為了配重塊起停提供充足的動力，因此選定電動機性能參數如下：功率為4 kW，6級，恒轉矩2～50 Hz，恒功率50～100 Hz。

2.3.2 減速機的選型

整個試驗過程中，配重塊上升總行程L=1.5 m，加速行程L1=0.3 m，減速行程L2=0.2 m，因此加速行程時間t1=2L1/V=3 s；加速階段加速度a1=V/t=0.2÷3≈0.07 m/s2。機械驅動能力按1.5倍設計，選定電動機額定轉矩為39.8 N·m，最小拉力Fmin=1.5m(g+a)=14805 N，最小減速比imin=Fmin/（T·r）=14805÷（39.8×0.15）=56。在電動機最高速時（100 Hz）滿足運動速度v=12 m/min，電動機轉速為1920 r/min，最大減速比imax=d·n/v=0.3×3.14×1920÷12=150。因此，減速機的減速比理論計算區間為56～150，結合市面成熟減速機性能，最終選定減速比為1:71的減速機。

2.4 防護罩

在配重塊和天滑輪之間、天滑輪和地滑輪之間、地滑輪和卷筒之間的試井鋼絲外面加上鋼絲防護罩，避免鋼絲疲勞試驗中鋼絲斷裂彈出傷人（如圖2）。

圖2 試井鋼絲疲勞試驗機示意圖

3 試驗過程及結果

3.1 試驗長度

配重塊上端面到天滑輪圓心距離為2 m，天滑輪圓心和地滑輪圓心垂直距離為1.5 m，地滑輪圓心到卷筒圓心水平距離為1.5 m，滑輪半徑最大為0.44 m，根據試井鋼絲疲勞試驗機結構設計，試井鋼絲試驗試樣總長度為5 m。

3.2 彎曲疲勞循環次數

彎曲疲勞循環是指試井鋼絲隨卷筒順時針旋轉，帶動配重塊上升，試井鋼絲經過天滑輪和地滑輪，配重塊脫離地面1 m后停止；卷筒反向旋轉，配重塊下落，試井鋼絲經過地滑輪和天滑輪，配重塊落地；卷筒再次反向。在同一平面內，完成一個從起點到終點再到起點的雙向彎曲疲勞的過程，計為彎曲疲勞2次。

3.3 試驗過程

實驗過程分為：切樣→試樣連接→選取試驗輪→設定運動速度→設定配重塊上升高度→疲勞試驗→鋼絲斷裂。

取直徑為3.2 mm、材質為MP35N、長度為5 m的試井鋼絲開展疲勞試驗，滑輪直徑為0.44 m，疲勞試驗機卷筒半徑小于試井鋼絲最小允許曲率半徑，容易致使試井鋼絲發生彎曲斷裂，影響試驗模擬效果，因此在卷筒上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩通過梨形繩帽和試井鋼絲一端相連；試井鋼絲另一端經過地滑輪的右側下端繞入，使地滑輪和變頻電動機之間的試井鋼絲處于水平狀態；再從地滑輪的下端左側繞出，經過天滑輪的右側上端繞入，使天滑輪和地滑輪之間的試井鋼絲呈拉緊狀態；試井鋼絲再從天滑輪的左側上端繞出，從天滑輪右側繞出，通過梨形繩帽與配重塊連接，使天滑輪與配重箱之間的試井鋼絲呈垂直狀態。

設置試井鋼絲運行速度為5 m/min，配重塊上升高度為1 m，配重塊質量為100 kg，啟動變頻電動機，使試井鋼絲經過地滑輪和天滑輪拉往返運動，開始疲勞試驗如圖3所示。

圖3 試井鋼絲疲勞試驗

3.4 試驗結果

3.4.1 試井鋼絲疲勞磨損

試井鋼絲在配重塊質量100 kg的情況下，開展疲勞試驗，疲勞運動每100次，利用千分尺測量滑輪處試井鋼絲直徑，查看磨損情況，如圖4所示。試井鋼絲在前500次內，試井鋼絲直徑變化較大，在500～7000次之間，試井鋼絲直徑縮小趨于緩慢。主要原因為：1）試井鋼絲的材料本身拉升引起的形變，使試井鋼絲縱向方向變細；2）開始試驗時試井鋼絲和滑輪繩槽接觸不緊密，基本屬于點接觸，接觸面小，摩擦力大，磨損較快。后面疲勞試驗中，試井鋼絲材料形變較小，滑輪繩槽接觸為面接觸，接觸壓力下降，摩擦力降低，試井鋼絲直徑變化較小，10 000 次后，只有表面磨損造成的試井鋼絲直徑緩慢減少，鋼絲直徑幾乎不再變化，最后疲勞斷裂時沒有縮頸現象，如圖5所示。

圖4 試井鋼絲疲勞試驗直徑變化曲線圖

圖5 試井鋼絲疲勞試驗斷裂圖

3.4.2 試井鋼絲疲勞壽命

配重箱內砝碼質量從100～800 kg，間隔100 kg為一組，每組試驗開展3次，每次試驗配重塊質量、上升高度、運動速度保持一致。試井鋼絲疲勞壽命如表1所示，在同等試驗條件下，試井鋼絲疲勞壽命與配重塊質量有關，質量越大，承受載荷越大，疲勞壽命越短，在配重塊質量在100 kg及以下，試井鋼絲疲勞彎曲磨損較小，使用時間較長。

表1 試井鋼絲疲勞壽命

4 結論

1）試井鋼絲疲勞試驗機通用性較強，與實際工況基本一致，結構簡單、易操作。試驗輪位置和作業現場相對應，可以通過更換試驗輪，進行不同直徑、不同材質的試井鋼絲疲勞試驗；可以通過調節配重塊質量和配重塊往返速度，模擬不同作業工況疲勞試驗，最終評估試井鋼絲疲勞壽命。2）試井鋼絲直徑前期變化較快，中后期變化較小，最終在地滑輪處脆性疲勞斷裂，無縮頸現象。3）試井鋼絲承受載荷越大，疲勞壽命越短。