一種帶壓作業(yè)油管扶正裝置的研發(fā)
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作者：張毅
在帶壓修井作業(yè)起、下油管過程中，接箍報(bào)警裝置是對(duì)接箍進(jìn)行檢測(cè)的一個(gè)重要裝置，接箍報(bào)警裝置的檢測(cè)準(zhǔn)確性是建立在必須把油管控制在井口中心位置的基礎(chǔ)上，這是因?yàn)楫?dāng)油管受到井中氣壓所產(chǎn)生的浮力或偏心載荷作用時(shí)，由于油管很長，很容易發(fā)生屈曲變形，造成油管偏離井口中心位置，可能導(dǎo)致接箍報(bào)警裝置的接箍滾輪誤把油管柱當(dāng)做接箍到達(dá)而產(chǎn)生誤報(bào)警信號(hào)，從而不能準(zhǔn)確檢測(cè)油管接箍到達(dá)的具體時(shí)間和位置，給防噴器的密封帶來巨大的難度，加大了人力物力的消耗，還會(huì)造成防噴器密封副膠芯的刮擦和磨損甚至密封副的失效。
1 油管扶正裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
經(jīng)過研究分析，在接箍報(bào)警裝置下方安裝一個(gè)新設(shè)計(jì)的油管扶正裝置，來保證油管能在井口中心的位置進(jìn)行起升，可以有效解決接箍報(bào)警裝置產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)的問題。下面對(duì)此油管扶正裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行具體闡述。
新研制的油管扶正裝置主要由驅(qū)動(dòng)油缸、扶正彈簧、扶正滾輪、扶正柱塞組成，如圖1所示。3個(gè)扶正滾輪分別相隔120。，調(diào)整扶正柱塞來頂住油管柱，使得油管柱保持在井口中心位置。當(dāng)油管接箍通過時(shí)，接箍推開滾輪，使接箍順利通過，當(dāng)接箍通過后，在扶正彈簧的作用下扶正滾輪回到原位。扶正裝置的末端運(yùn)用3個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，當(dāng)有外徑相對(duì)較大的井下工具通過扶正裝置時(shí)，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)液壓缸來調(diào)節(jié)扶正滾輪的位置，避免扶正滾輪和井下工具的磨損。當(dāng)油管外徑不同時(shí)，采用帶有液壓缸控制的定位板來調(diào)整油管扶正裝置的工作位置，此油管扶正直徑范圍為75 mm～115 mm。油管扶正裝置局部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2 油管扶正裝置彈簧+的選取
扶正裝置在工作時(shí)，扶正彈簧起到至關(guān)重要的扶正作用，其結(jié)構(gòu)尺寸、剛度及彈簧力的大小直接影響扶正效果。
扶正彈簧的設(shè)計(jì)如下：
(1)根據(jù)扶正彈簧所受的負(fù)荷情況，選擇普通圓柱螺旋壓縮及拉伸彈簧，選用Ⅱ類，即受變載荷作用次數(shù)在103～105次以上的彈簧。
(2)考慮到井下扶正彈簧相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，彈簧材料選取耐腐蝕、耐磨耗程度較高的lCr18Ni9 Ti。
(3)根據(jù)彈簧所受強(qiáng)度及安裝尺寸的要求，選取彈簧絲的直徑d=10 mm，彈簧中徑D-60 mm。
(4)根據(jù)油管受扶正力的大小來確定彈簧的最大工作載荷P。=4 000 N，最小工作載荷P1=2 000 N。工作行程h=25 mm。
3油管扶正裝置扶正滾輪與油管的接觸應(yīng)力分析
利用ANSYS軟件對(duì)油管和扶正滾輪進(jìn)行有限元分析，3個(gè)扶正滾輪給予固定扶正力，油管在滾輪中間進(jìn)行下放運(yùn)動(dòng)，主要目的是獲得油管表面位移變形、應(yīng)力值的分布圖，分析磨損較大的部位，對(duì)油管的磨損情況進(jìn)行評(píng)估。
運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)油管和扶正滾輪進(jìn)行實(shí)體建模，并保存為后綴x．t的格式導(dǎo)入到ANSYS中，利用ANSYS中的網(wǎng)格劃分功能對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，采用Solid 45單元類型，共得到75 347個(gè)節(jié)點(diǎn)、29 159個(gè)單元，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。定義材料的固有屬性、單元特性等有限元分析參數(shù)如下：油管和扶正滾輪材料均選取合金鋼25CrNiMo，材料的彈性模量E=2.1×los MPa，密度to=7 800 kg/m3，泊松比u=0.3；邊界條件為：油管作下放運(yùn)動(dòng)，3個(gè)滾輪固定約束限制油管水平自由度，并添加油管徑向扶正力3 000 N。
對(duì)油管和扶正滾輪進(jìn)行有限元計(jì)算，得到單元與節(jié)點(diǎn)的變形和應(yīng)力云圖，如圖4所示。
分析結(jié)果表明：油管在3個(gè)滾輪各施加3 000 N的扶正力作用下，最大變形出現(xiàn)在滾輪與油管線接觸的表面上，最大值為5. 009×10-6 m;最大應(yīng)力值也出現(xiàn)在滾輪與油管線接觸的表面附近，最大應(yīng)力值為0. 367 MPa。
4總結(jié)
本文主要設(shè)計(jì)了一種新的油管扶正裝置，相比于過去的兩個(gè)滾輪扶正，增加一個(gè)滾輪，使用3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行扶正，使得油管能更好地保持在井口中心位置；同時(shí)對(duì)扶正彈簧進(jìn)行了計(jì)算和選�。蛔詈筮\(yùn)用ANSYS軟件對(duì)油管進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，分析其和扶正滾輪之間的接觸應(yīng)力問題，為以后合理選取滾輪材料來減輕油管磨損提供了理論基礎(chǔ)。
5摘要：在帶壓作業(yè)中，起下油管在受到軸向力或偏心載荷的情況下往往會(huì)偏離井口中心位置，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)新型油管扶正裝置。首先對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后計(jì)算選取了對(duì)扶正效果起主要作用的扶正彈簧，最后對(duì)油管與扶正滾輪進(jìn)行接觸應(yīng)力仿真分析，得出油管接觸應(yīng)力的分布情況。所設(shè)計(jì)的油管扶正裝置，解決了帶壓作業(yè)中接箍報(bào)警裝置的誤報(bào)情況，增加了帶壓作業(yè)自動(dòng)化控制的可靠性與準(zhǔn)確性。
