續(xù)油管注入頭夾塊結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

張東陽,韓 軍

(1.安徽省天然氣開發(fā)股份有限公司，安徽 合肥 230051；2.和縣皖能天然氣有限公司，安徽 馬鞍山 238200)

0 前言

夾持裝置是注入頭結(jié)構(gòu)的核心組成之一，直接參與夾緊連續(xù)油管工作，其結(jié)構(gòu)合理性直接影響著連續(xù)油管作業(yè)裝備的性能發(fā)揮與使用壽命[1]。注入頭在使用中，夾塊結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理將會導(dǎo)致連續(xù)油管擠壓變形較大，或者夾塊與連續(xù)油管間發(fā)生相對滑動，造成夾持可靠性降低，嚴重影響了連續(xù)油管的使用壽命[2]。為使夾持裝置適應(yīng)更為惡劣的工況環(huán)境，提高夾塊夾持連續(xù)油管可靠性，延長連續(xù)油管使用壽命，提出了槽型夾塊設(shè)計結(jié)構(gòu)，并進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究。

1 普通型夾塊與開槽夾塊夾持結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 有限元模型建立

根據(jù)ZRT80注入頭[3]最惡劣工況受力情況，對夾塊夾持連續(xù)油管進行強度分析。由于夾塊夾持連續(xù)油管模型對稱性，為簡化計算，取1/2夾塊建立夾持有限元模型，如圖1所示。網(wǎng)格劃分時，由于連續(xù)油管較夾塊更易變形，連續(xù)油管采用1.5 mm大小的8節(jié)點線性減縮積分C3D8R單元,夾塊網(wǎng)格粗略劃分。

圖1 夾持模型的邊界條件及載荷

在連續(xù)油管軸對稱面上施加Y方向的位移約束，軸向底端面上施加Z方向位移約束；考慮到同時夾緊連續(xù)油管的夾塊對數(shù)為10個，忽略動載荷的影響，假設(shè)各夾塊均勻受力，每對夾塊上的軸向力為36 kN，夾緊力為128 kN，油管內(nèi)壁液壓P=10 MPa。

1.2 夾持結(jié)構(gòu)有限元分析

在最惡劣工況下進行夾持結(jié)構(gòu)強度有限元分析，得到夾持應(yīng)力、接觸壓力分布云圖，如圖2。

圖2 夾持有限元分析結(jié)果

圖2中連續(xù)油管最大應(yīng)力集中在靠近油管對稱面附近內(nèi)側(cè)處，且最大應(yīng)力值為384.3 MPa，低于材料屈服強度620.5 MPa，表明連續(xù)油管發(fā)生了彈性變形，處于安全工作狀態(tài)。連續(xù)油管外表面的接觸壓力沿著圓周方向呈現(xiàn)不均勻分布，在靠近夾塊末端接觸處的接觸壓力最大，為185.4 MPa。該工況條件下夾持應(yīng)力較大，需對夾塊結(jié)構(gòu)進行改進，以降低連續(xù)油管應(yīng)力。

1.3 開槽夾塊有限元對比分析

為降低連續(xù)油管夾持應(yīng)力，并考慮盡可能增大夾持接觸面積情況下，提出了橢圓形槽、梯形槽(30°梯形角)兩種開槽夾塊結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 槽形幾何形狀示意圖

夾塊內(nèi)表面開槽不同于卡瓦槽型結(jié)構(gòu)，槽齒過于鋒利會對管表面造成刻痕傷害，導(dǎo)致連續(xù)油管工作失效損壞，所以齒槽深度不宜過大，槽齒面長度也不能過小，以免影響夾持接觸面積。取開槽深度1.18 mm，槽齒面長度4 mm，梯形槽傾角為30°，開槽數(shù)目為6，分別建立兩夾塊的三維模型，并導(dǎo)入到Abaqus中進行有限元分析，如圖4所示。

圖4 不同槽形夾塊結(jié)構(gòu)模型

保持邊界條件和載荷大小不變，分析得到兩夾塊Mises應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。

圖5 不同槽形夾塊的夾持應(yīng)力云圖

圖5中梯形槽、橢圓形槽夾塊夾持連續(xù)油管的最大應(yīng)力均位于連續(xù)油管對稱面附近，應(yīng)力值為213.3 MPa、213.4 MPa，均比常規(guī)夾塊夾持的最大應(yīng)力降低約44.4%。

為進一步對比分析兩槽形夾塊夾持性能，沿連續(xù)油管圓周方向上分別提取夾持段Mises應(yīng)力、接觸壓力分布情況，如圖6所示。

圖6 連續(xù)油管外壁夾持段夾持特性

沿圓周接觸路徑方向上，圖6a中梯形槽夾塊對連續(xù)油管的夾持應(yīng)力分布更均勻，在槽齒面長度相同情況下，梯形牙比橢圓形牙材料體積大，能夠承受的抗擠毀強度更高，優(yōu)于橢圓形槽夾塊工作性能。圖6b中連續(xù)油管表面的接觸壓力均呈對稱分布，呈先增加后逐漸減小的變化趨勢。梯形槽夾塊對連續(xù)油管的平均接觸壓力值、面積明顯高于橢圓形槽夾塊，最大接觸壓力為107.2 MPa，比橢圓形槽夾塊夾持提高了近1.1倍。因此，對比分析優(yōu)先選梯形槽夾塊。

2 梯形槽夾塊結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 強度正交試驗設(shè)計

合理的梯形夾塊結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效提高夾持性能，增大夾持連續(xù)油管接觸面積，改善連續(xù)油管使用壽命。利用DOE試驗設(shè)計分析法[4]，研究齒槽寬a，齒槽高b，牙型角c對夾持性能影響。根據(jù)夾塊實際結(jié)構(gòu)尺寸以及開槽數(shù)情況[5]，確定各參數(shù)變量取值范圍：3 mm≤a≤8 mm，1 mm≤b≤2.5 mm，100°≤c≤120°，選取4個參數(shù)水平值如表1所示。

表1 參數(shù)變量的水平取值

DOE正交試驗中，夾塊結(jié)構(gòu)共有3個參數(shù)，每一參數(shù)確定4個水平值，選取正交表L16(43)。通過有限元分析得到不同尺寸組合夾持強度，如表2所示。

表2 正交試驗計算結(jié)果

對比第1組、第13組試驗結(jié)果， Mises應(yīng)力的最大值相差39.4 MPa，由此可以看出，對夾塊槽結(jié)構(gòu)進行參數(shù)研究很有必要。

2.2 梯形槽夾塊結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著性分析

利用ISIGHT集成數(shù)據(jù)處理模塊，對正交試驗計算結(jié)果進行直觀分析得到參數(shù)變量改變對性能指標(biāo)的影響程度和趨勢，如圖7所示。

圖7 參數(shù)變量對性能指標(biāo)的主效應(yīng)影響趨勢

圖7a中Mises應(yīng)力峰值隨著齒槽寬增加明顯呈曲線式增大，表現(xiàn)為顯著性影響，而隨著齒槽深和牙型角的增加分別表現(xiàn)為緩慢增大和減小。圖7b中，最大接觸壓力隨齒槽寬增加曲線式顯著增大，隨齒槽深增加表現(xiàn)為先減小后增大變化趨勢。牙型角對其影響程度比較小，曲線呈緩慢的變化。

2.3 梯形槽夾塊結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用分析

為縮小夾塊槽形尺寸范圍，找出最佳組合尺寸，進一步分析參數(shù)變量的交互作用對夾持強度的影響。根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)得到兩個變量相互影響的最大Mises應(yīng)力、最大接觸壓力等直線圖，如圖8、9所示。

圖8 參數(shù)變量對Mises應(yīng)力峰值的影響

根據(jù)各參數(shù)變量對最大接觸壓力和Mises應(yīng)力峰值的影響趨勢，初步確定齒槽寬、齒槽深、牙型角三個參數(shù)變量的取值區(qū)間為：a∈[3.5,5.2]∩b∈[1.0,1.6]∩c∈[112,120]。

圖9 參數(shù)變量對最大接觸壓力的影響

當(dāng)槽寬取值過大時，卡牙的整體尺寸就越小，結(jié)構(gòu)強度降低，同時與連續(xù)油管的接觸面積將明顯減小，嚴重影響了夾塊的抗擠壓能力。所以槽寬取值應(yīng)在較小的范圍內(nèi)選取。初步確定取值區(qū)間為：a∈[3.5,4.5]∩b∈[1.0,1.6]∩c∈[113.2,120]。綜上，取各個參數(shù)區(qū)間交集，最終區(qū)間范圍為：a∈[3.5,4.5]∩b∈[1.0,1.6]∩c∈[113.2,120]。

2.4 全因子試驗設(shè)計

根據(jù)前述參數(shù)區(qū)間，對參數(shù)變量進行全因子試驗[6]，角度變化以1°為間隔，齒槽寬、齒槽深變化以0.1 mm為間隔，具體取值見表3，共72次仿真計算。

表3 夾塊梯形槽參數(shù)全因子試驗參數(shù)取值表

Pareto解集為解決多目標(biāo)優(yōu)化的單一解而提出的，對應(yīng)目標(biāo)函數(shù)空間的像稱為Pareto前沿。根據(jù)參數(shù)變量的不同尺寸全因子試驗結(jié)果，將全部組合的Mises應(yīng)力峰值以及最大接觸壓力對比分析，得圖10解集分布形式。其中實心點集合表示可行域的解集，三角形點為不滿足約束條件的解集，空心點為符合設(shè)計條件的Pareto最優(yōu)解。圖10b為Pareto最優(yōu)解集擬合曲線，利用子目標(biāo)間的協(xié)調(diào)和折衷方法能夠使得多目標(biāo)均盡可能的達到最優(yōu)。

圖10 試驗設(shè)計優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)圖10b中Pareto解集的分布看出，點A是位于Pareto前沿上的一個解，與圖中第三個最優(yōu)解比較，最大接觸壓力值略微降低(第三個最優(yōu)解Mises應(yīng)力峰值為199.5 MPa，而A解最大接觸壓力值為191.8 MPa，降低了6.6%)，但此時連續(xù)油管上的Mises應(yīng)力峰值最小，對應(yīng)連續(xù)油管被夾持的最大應(yīng)變量最小，對連續(xù)作業(yè)時的安全系數(shù)程度最高。因此，Pareto解集上A點為最優(yōu)解，對應(yīng)梯形槽夾塊結(jié)構(gòu)尺寸為:a=3.5 mm，b=1 mm，c=120°。對比常規(guī)夾塊夾持，優(yōu)化后的梯形槽夾塊夾持Mises應(yīng)力峰值為191.8 MPa，應(yīng)力降低了50.14%，優(yōu)化效果明顯。

圖11 油管夾持表面有接觸壓力的面積

優(yōu)化后梯形槽夾塊與連續(xù)油管有效接觸面積比常規(guī)夾持時增大了16.9%，這是由于夾塊槽與槽之間的空間對連續(xù)油管的擠壓應(yīng)變有一定的緩解作用，雖然開槽對整體夾塊內(nèi)圓面積有所減小，但更加充分保證了與連續(xù)油管的接觸，使得夾持有效壓力接觸面積增加，提高了連續(xù)油管的工作性能和使用壽命。

3 結(jié)論

(1)兩種不同槽形夾塊夾持連續(xù)油管最大應(yīng)力分布均位于連續(xù)油管對稱面附近，均比常規(guī)夾塊夾持的最大應(yīng)力降低約44.4%，夾塊開槽設(shè)計符合實際工作要求。

(2)沿圓周接觸路徑方向上，開槽夾塊夾持連續(xù)油管接觸壓力均呈對稱分布，呈先增加后逐漸減小的變化趨勢。梯形槽夾塊對連續(xù)油管的平均接觸壓力值、面積明顯高于橢圓形槽夾塊，最大接觸壓力為107.2 MPa，比橢圓形槽夾塊夾持提高了近1.1倍，優(yōu)先選取梯形槽夾塊。

(3)Mises應(yīng)力峰值隨齒槽寬增加明顯呈曲線式增大，表現(xiàn)為顯著性影響，而隨著齒槽深和牙型角的增加分別表現(xiàn)為緩慢增大和減小。最大接觸壓力隨齒槽寬增加曲線式顯著增大，隨齒槽深增加表現(xiàn)為先減小后增大變化趨勢；牙型角對其影響程度比較小，曲線呈緩慢的變化。

(4)通過參數(shù)優(yōu)化分析，得到梯形槽夾塊結(jié)構(gòu)最佳尺寸為:a=3.5 mm，b=1 mm，c=120°。優(yōu)化后梯形槽夾塊夾持應(yīng)力較常規(guī)夾塊應(yīng)力降低50.14%，有效接觸面積增大16.9%，優(yōu)化效果明顯。