ABAQUS軟件分析測井用金屬連續毛細管塑性變形

文章編號：1671-3559（2024）04-0476-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240527.003

摘要： 針對金屬連續毛細管因在測井絞車滾筒上的彎曲行為而產生塑性變形對性能的影響，采用有限元軟件ABAQUS分析不同彎曲半徑時金屬連續毛細管產生的塑性變形和疲勞壽命。結果表明：金屬連續毛細管在彎曲過程中的塑性變形隨著中性層向外逐漸增大；當彎曲半徑由75 mm增加至150 mm時，隨著彎曲半徑的增加，金屬連續毛細管的塑性變形逐漸增大，等效塑性應變由3.5×10-2減小至1.46×10-2，并且使用壽命逐漸趨于平緩，循環次數由25 000增加到398 107。

關鍵詞： 測井絞車； 金屬連續毛細管； 有限元分析； 彎曲半徑； 塑性變形

中圖分類號： TE932

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Plastic Deformation of Metal Continuous Capillary

Tubes for Logging Analyzed by Using ABAQUS Software

FAN Qilong1， LI Liang2， WANG Shuni3， CUI Huanyong1， WANG Hui2， LIU Haining1

（1. School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022， Shandong， China;

2. Shengli Oilfield Changhai Petroleum Technology Co.， Ltd.，Dongying 257200， Shandong， China;

3. Tai’an Campus of Shandong University of Science and Technology， Tai’an 271000， Shandong， China）

Abstract： Aiming at the effect of plastic deformation on the performance of metal continuous capillary tubes caused by bending behavior on the log winch drum， the finite element software ABAQUS was used to analyze the plastic deformation and fatigue life of metal continuous capillary tubes with different bending radius. The results show that the plastic deformation of the metal continuous capillary tube increases with the neutral layer. The equivalent plastic strain decreases from 3.5×10-2 to 1.46×10-2 with the increase of bending radius from 75 mm to 150 mm， and the service life gradually flattens out， the number of cycles increases from 25 000 to 398 107.

Keywords： logging winch; metal continuous capillary tube; finite element analysis; bending radius; plastic deformation

測井絞車和金屬連續毛細管系統作為一種生產測井新工藝的核心部分， 金屬連續毛細管的性能對提高測井工作的效率和安全性起著重要的作用。 金屬連續毛細管卷曲半徑直接決定了測井絞車的滾筒半徑和測井絞車的整體尺寸， 合理的滾筒半徑不僅可以減少測井絞車的整體體積， 還可以使金屬連續毛細管的塑性變形保持在合理的范圍內， 延長金屬連續毛細管的使用壽命，因此研究金屬連續毛細管

收稿日期： 2023-01-12""""""""" 網絡首發時間：2024-05-28T13：41：40

基金項目： 國家自然科學基金項目（51975274） ；山東省自然科學基金項目（ZR2021ME101）；山東省科技型中小企業創新能力提升工程

項目（2022TSGC2416）

第一作者簡介： 范啟龍（1996—），男，山東禹城人。碩士研究生，研究方向為現代制造技術與裝備。E-mail： 1045098820@qq.com。

通信作者簡介： 崔煥勇（1970—），男，山東膠南人。教授，博士，碩士生導師，研究方向為現代制造技術與裝備。E-mail： cuihuanyong@163.com。

網絡首發地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240527.1651.006

卷曲半徑與塑性變形的關系，可以為測井絞車滾筒的設計提供重要的參考依據。

應用在油氣井鉆井、測井等工作中的普通連續油管直徑為38.1～60.9 mm［1］，本文中所研究的金屬連續毛細管是一種較細的金屬液壓管，用作測井過程中的傳輸線纜時，金屬連續毛細管除了在滾筒上會發生彎曲行為外，在通過變向滑輪時也發生多次彎曲變形。

在連續油管的塑性力學行為的研究中，Tong等［2］建立了彈塑性崩潰極限模型， 分析了軸向力、屈曲和內壓對連續油管的彈塑性破壞極限的影響。Liu等［3］研究了在典型缺陷條件下的連續油管的壽命減小的規律，并對缺陷的所在位置、大小以及角度對油管壽命的影響進行了研究。Chen等［4］研究了在不同屈曲狀態下海洋載荷對連續油管軸向力的影響，建立了不同海洋載荷下的“管內管”實驗系統。針對連續油管在井下可能發生的螺旋屈曲問題，Guan等［5］構建了連續油管井下屈曲試驗臺，采用數值計算與實驗驗證相結合的方法，對連續油管在管道或井筒內的屈曲問題進行了研究。Qin等［6］利用新的屈曲方程計算了考慮殘余彎曲的臨界屈曲力和徑向接觸力，還計算了軸向壓縮位移和最大彎矩。趙廣慧等［7］利用塑性理論分析了纏繞在滾筒上的連續油管在卸除拉力和彎矩后的力學行為，證明了連續油管在彈塑性卸載過程中不會發生反向屈曲。竇益華等［8］分析了滾筒處彎曲連續油管起出力學性能，將連續油管作為彎曲梁，應用梁彎曲變形理論，推導出滾筒處彎曲連續油管的彎矩和拉力計算公式。

針對連續油管在彎曲時出現的彈塑性變形的問題， 眾多學者利用理論計算、 有限元等方法開展了理論分析。 Yang［9］通過研究連續管在滾筒上的纏繞變形， 得到了連續管纏繞在滾筒上時的塑性應變能和彎矩計算方法。 Liu 等［10］利用理論模型研究了鋼材牌號、 壁厚、 外徑、 卷筒半徑、 導輪半徑和內壓對疲勞壽命的影響， 結果表明， 卷筒半徑、 連續油管外徑和內壓是影響連續油管疲勞壽命的敏感參數。 Wu［11］采用經驗系數的方法估計連續油管的工作壽命， 但該方法經驗系數過多， 導致預測壽命值與實際壽命仍存在較大的誤差。 朱小平［12］分析了連續油管在三軸應力作用下的疲勞壽命， 結果表明， 連續油管在三軸應力下的疲勞失效屬于低周疲勞問題。肖暉［13］以對連續油管建立的新塑性模量作為理論基礎， 建立直徑為7.09 mm的連續油管的有限元模型，研究連續油管的直徑變化。劉星［14］重新設計及優化滾筒的結構，分析滾筒纏繞模型， 得到了連續油管張緊力的計算方法。呼煥苗等［15］使用有限元分析軟件，模擬分析連續油管的纏繞彎曲性能，通過改變管內壓力分析連續油管的疲勞壽命， 得出隨著內壓力的增大，連續管的壽命呈現非線性縮減的結論。

大部分學者針對連續管所受軸向拉力、內應力和松弛角度等參數開展了研究，但很少針對彎曲半徑的變化進行分析。在實際測井工作過程中，金屬連續管作為傳輸線纜需要發生多次的彎曲變形，并且彎曲半徑也會發生變化，直接影響金屬連續毛細管的性能、 疲勞壽命和安全，因此非常有必要研究金屬連續毛細管在不同彎曲半徑時的彈塑性變化規律和疲勞壽命。在金屬連續管的材料方面，大部分學者針對由低碳合金鋼制成的QT系列連續管進行分析，很少有針對高彈性的不銹鋼材料的金屬連續管的分析。為此，本文中針對材料牌號為S316L的不銹鋼、 外徑遠小于普通連續油管的測井常用的金屬連續毛細管進行研究，采用有限元軟件ABAQUS分析不同彎曲半徑時的金屬連續毛細管的彈塑性變化規律和疲勞壽命，對測井絞車的滾筒設計具有參考作用。

1" 有限元模型建立

金屬連續毛細管的參數和材料的力學性能如表1、 2所示。牌號S316L的不銹鋼中添加了鉬元素，抗腐蝕性能好，制成的金屬連續毛細管非常適合在海洋等惡劣環境中使用。

測井工作地面系統如圖1所示， 金屬連續毛細管有限元分析模型和各部件的結構與相對位置如圖2所示。 該模型的主要參數如下： 金屬連續毛細管長度為400 mm， 彎曲半徑分別設為75、 100、 125、 150 mm， 水平、 弧形引導板的厚度均設置為1 mm。

滾筒模型的頂部設置有一個引導塊， 起到引導金屬連續毛細管運動的作用， 通過使滾筒繞中心旋轉一定角度， 帶動金屬毛細管呈現彎曲或伸直動作， 弧形引導板可以防止金屬連續毛細管在由彎曲到伸直這一過程中脫離滾筒表面造成分析結果失真。

2" 金屬連續毛細管彎曲-伸直行為的有限元分析

2.1" 材料屬性設置與網格的劃分

將滾筒模型導入到ABAQUS軟件之后，使用Property模塊， 分別設置材料的密度、 彈性和塑性3種材料屬性， 并將設置好的材料屬性賦予每個部件。 使用Mash模塊劃分網格，結果如圖3所示。 由于該模型存在較大的彎曲變形， 因此網格類型均設置為八節點線性六面體單元（C3D8R）［見圖3（a）］。 對模型中的金屬連續毛細管進行網格細化處理， 其網格壁厚方向設置5層網格，如圖3（b）所示。

該模型的網格、節點個數分別為102 914、 126 642； 滾筒、 水平引導板和弧形引導板均設置為剛體，采用稀疏網格，網格個數分別為6 840、 1 200、 4 140。

2.2" 分析步與邊界條件的設置

由于該分析存在較多的接觸條件并且存在較大的彎曲變形，因此選用動力-顯式分析步， 即彎曲分析步和伸直分析步。 彎曲分析步是將金屬毛細連續到滾筒表面，伸直分析步則將金屬連續毛細管的狀態從纏繞變為伸直狀態。

在相互作用模塊中，設置2種相互作用接觸屬性（IntOrop-1）： 一種是切向行為， 應用罰函數， 摩擦系數設置為0.1； 另一種為法向行為， 設置為“硬”接觸， 模型的相互作用設置如表3所示。將滾筒、 水平引導板和弧形引導板均設置為剛體，參考點分別為RP-1、 RP-2和RP-3。將參考點RP-2、 RP-3的自由度全部施加約束，防止在管運動過程中2個引導板發生位移，導致計算結果準確度下降。

為了實現滾筒的旋轉，在滾筒模型的旋轉中心處設置一個轉角，轉角設為π即繞軸旋轉180°。在彎曲分析步、 伸直分析步中設置的轉角參數互為相反數，這樣就可以模擬滾筒帶動金屬連續毛細管的彎曲-伸直過程。將管的后端面橫向移動和豎向移動的自由度施加約束，以防止在轉動過程中管的模型發生不定向的位移。

3" 金屬連續毛細管等效塑性應變和疲勞壽命有限元分析

3.1" 等效塑性應變的有限元計算結果分析

金屬連續毛細管彎曲半徑不同時，彎曲狀態等效塑性應變云圖如圖4所示。由圖可以看出： 在彎

曲狀態下， 金屬連續毛細管均發生了不同程度的塑性變形。 在管彎曲的中性層附近， 金屬管沒有出現塑性變形， 只有彈性變形的情況發生； 隨著中性層向外擴展， 管件開始發生塑性變形， 并且塑性變形量逐漸增大， 直到管彎曲的最內側與最外側塑性變形量達到了最大值。 在彎曲狀態下， 彎曲半徑由125 mm減小至75 mm， 金屬連續毛細管所發生的最大等效塑性變形量逐漸減小。

圖5所示為彎曲狀態下金屬連續毛細管彎曲半徑對等效塑性應變的影響。 從圖中可以看出：當彎曲半徑為75 mm時， 等效塑性應變為3.5×10-2； 當彎曲半徑增至100 mm時， 等效塑性變形量明顯減小， 等效塑性應變為2.92×10-2； 當彎曲半徑為125、 150 mm時， 等效塑性變形變化趨于平穩， 等效塑性應變分別為1.59×10-2、 1.46×10-2。隨著彎曲半徑的減小，發生的塑性變形量越大，塑性變形量對金屬毛細管的使用壽命的影響較大， 需要對其疲勞壽命進行有限元分析。

對等效塑性應變的影響

圖6為金屬連續毛細管彎曲半徑不同時伸直狀態等效塑性應變云圖。由圖可知，金屬連續毛細管由彎曲狀態回到伸直狀態時，在管件彎曲最外側和最內側的塑性變形仍然存在。

伸直狀態下金屬連續毛細管彎曲半徑對等效塑性應變的影響如圖7所示。 由圖可看出： 在彎曲半徑為75 mm時， 等效塑性應變為7.08×10-2； 當彎曲半徑增至100 mm時， 等效塑性應變減小至5.34×10-2； 當彎曲半徑增至125、 150 mm時， 塑性變形的變化趨于平穩， 等效塑性應變分別為4.1×10-2、 4.0×10-2。 通過金屬連續毛細管彎曲和伸直狀態下的塑性變形的分析可知， 彎曲半徑越小， 發生的塑性變形越大， 當彎曲半徑增加到一定數值時， 塑性變形逐漸減小并趨于穩定。 隨著彎曲次數的繼續增加，塑性變形也逐漸累加，必定會對金屬連續毛細管的使用壽命產生影響， 因此需要對其疲勞壽命進行有限元分析。

3.2" 彎曲-伸直行為的疲勞壽命有限元分析結果

將有限元分析結果導入進Fe-safe軟件中進行疲勞壽命分析。圖8為金屬連續毛細管疲勞壽命云圖。由圖可知，在彎曲過程中管的最外側和最內側的疲勞壽命最短，與塑性變形規律一致，隨著彎曲半徑的增大，疲勞壽命也逐漸縮短。

根據疲勞壽命云圖可以得出不同彎曲半徑時金屬連續毛細管的彎曲-伸直循環次數， 如表4所示。 在彎曲半徑為75 mm時， 金屬連續毛細管的彎曲-伸直循環次數為25 000； 當金屬連續毛細管的彎曲半徑增加到125、 150 mm時， 金屬連續毛細管的彎曲-伸直循環次數大幅增加， 分別達到316 627、 398 107，說明在該彎曲半徑情況下，管件的大部分區域只發生彈性變形，塑性變形可以忽略不計。

4" 結論

本文中針對材料牌號為S316L不銹鋼、 外徑為6.35 mm的金屬連續毛細管在不同彎曲半徑時的彎曲-伸直行為進行有限元分析， 研究金屬連續毛細管在彎曲過程中塑性變形的發生規律， 分析了金屬連續毛細管的等效塑性應變和疲勞壽命， 得到如下結論：

1）在金屬連續毛細管彎曲過程中，塑性變形程度由中性層逐漸向外增大，在彎曲的最外層和最內層處，塑性變形程度最大；在中性層附近的部分區域，只存在彈性變形，無塑性變形的發生。

2）當彎曲半徑減小時，塑性變形區域增大， 管件彎曲的最外層和最內層的塑性變形也逐漸增大；隨著塑性變形的增加，管件的疲勞壽命大幅縮短，嚴重影響管件的使用壽命。

3）當彎曲半徑大于125 mm時，金屬連續毛細管的塑性變形和循環次數的變化都趨于穩定，因此可將125 mm作為絞車滾筒的設計半徑。

參考文獻：

［1］" 唐國平. CT90連續油管低周疲勞特性及壽命預測研究［D］. 北京： 中國石油大學（北京）， 2017.

［2］" TONG S K， GAO D L. Elastic-plastic collapse limit analysis of coiled tubing under complex stress state［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2019， 174： 106.

［3］" LIU S H， ZHOU H， ZHONG H， et al. Experimental and numericalsimulationstudyonfatiguelife of coiled tubing with typical defects［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2021， 198： 108212.

［4］" CHEN Y C， LI Y F， REHMAN W U， et al. Influence of ocean load on the axial force of coiled tubing under different buckling states［J］. Measurement， 2022， 189： 110507.

［5］" GUAN F， DUAN M L， MA W G， et al. An experimental study of mechanical behavior of coiled tubing in pipelines［J］. Applied Ocean Research， 2014， 44： 13.

［6］" QIN X， GAO D L. The effect of residual bending on coiled tubing buckling behavior in a horizontal well［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2016， 30： 182.

［7］" 趙廣慧， 梁政. 連續油管的力學行為研究［J］.西南石油大學學報， 2007， 29（3）： 115.

［8］" 竇益華， 韓璐， 秦彥斌， 等. 滾筒處彎曲連續油管起出力學性能分析［J］. 機械設計與制造工程， 2017， 46（4）： 95.

［9］" YANG Y S. Bending torque and strain energy in reeling coiled tubing［J］. SPE Journal， 1997， 2（2）： 182.

［10］" LIU S H， ZHOU H， XIAO H， et al. A new theoretical model of low cycle fatigue life for coiled tubing under coupling load［J］. Engineering Failure Analysis， 2021， 124： 105365.

［11］" WU J. Coiled tubing working life prediction［C］//SPE Production Operations Symposium， April 2-4， 1995， Oklahoma City， USA. 1995. ［S.l.］： Society of Petroleum Engineers， 1995： SPE-29461-MS.

［12］" 朱小平. 連續油管在彎曲和內壓共同作用下的疲勞壽命分析［J］. 鉆采工藝， 2004（4）： 79.

［13］" 肖暉. 連續油管力學行為及低周疲勞壽命研究［D］. 成都： 西南石油大學， 2017.

［14］" 劉星. 連續管滾筒的結構設計及優化研究［D］. 荊州： 長江大學， 2016.

［15］" 呼煥苗， 曹銀萍， 韋亮， 等. 纏繞彎曲多次循環下連續油管疲勞壽命仿真分析［J］. 機電工程技術， 2021， 50（4）： 94.

（責任編輯：劉" 飚）