孫峰，張能

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)美術(shù)系，山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)建筑學(xué)系，山東青島 266580)

懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置受力分析

孫峰1，張能2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)美術(shù)系，山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)建筑學(xué)系，山東青島 266580)

懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置是針對(duì)探井施工而研發(fā)的一項(xiàng)新型裝備。本文應(yīng)用ANSYS對(duì)上提作業(yè)時(shí)懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置進(jìn)行了靜、動(dòng)力有限元分析。分析結(jié)果顯示，上提作業(yè)過(guò)程中，提升鋼絲繩軸向應(yīng)力較大，可以適當(dāng)提高鋼絲繩的尺寸規(guī)格，繃?yán)K彈性模量對(duì)固定架整體偏移有較大影響，建議選取剛度較高的鋼絲繩。

懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置;靜動(dòng)力分析;鋼絲繩

0 前言

排液是石油工業(yè)探井試油施工中的重要環(huán)節(jié)，也是試油施工過(guò)程中用時(shí)最長(zhǎng)的工序。目前石油勘探井的試油工程，常用的有抽油機(jī)排液、通井機(jī)排液和電動(dòng)絞車排液等三種方法。但這些方法都存在能耗成本高及安全性差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響石油工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和排液效果。

新研發(fā)的懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置主要包括作業(yè)井架、抽汲換向裝置。作業(yè)井架一端通過(guò)井架大繩與地面固定，另一端與掛鉤或通井機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)連接，掛鉤或通井機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)懸掛抽汲換向裝置。抽汲換向裝置設(shè)有電機(jī)與滾筒，傳動(dòng)皮帶搭在滾筒上，一端與井下抽油泵的光桿連接，另一端與沿固定軌道滑動(dòng)的平衡塊相連。懸掛式自動(dòng)泵抽裝置通過(guò)固定架和繃?yán)K固定，免除了抽油機(jī)的井架，降低了抽油機(jī)的成本和抽汲能耗。同時(shí)，固定架底部通過(guò)插銷與地面連接，靠四根繃?yán)K限制其位移。作業(yè)時(shí)在動(dòng)載荷作用下固定架繃?yán)K受力較大，固定架的頂部位移也會(huì)引起抽汲換向裝置及傳動(dòng)皮帶的晃動(dòng)，影響作業(yè)過(guò)程。因此有必要對(duì)懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置的部件進(jìn)行受力分析。

1 有限元模型

懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置如圖1所示。根據(jù)裝置固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖，應(yīng)用ANSYS軟件建立有限元模型，對(duì)系統(tǒng)的上提作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真。其材料參數(shù)與載荷參數(shù)分別見(jiàn)表1、2。計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)井架、滾筒及滾筒架的重力都均勻作用在井架、滾筒及滾筒架的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。上提時(shí)12 t鉤載、8 t配重以及下放時(shí)4 t鉤載、8 t配重，根據(jù)滾筒上皮帶的寬度及滾筒縱向的節(jié)點(diǎn)分布，以集中力的形式均勻分配在滾筒與負(fù)荷皮帶相切的節(jié)點(diǎn)上。井架與底座之間為銷連接，作業(yè)時(shí)允許繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，方便井架的起升。在模型中，井架底部約束為X、Y、Z方向的平動(dòng)和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，繃?yán)K與地面之間的約束處理成固定支座。懸掛式自動(dòng)泵抽裝置固定系統(tǒng)整體有限元模型如圖2所示。

圖1 懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置Fig.1Hanging automatic pumping device

表1 材料參數(shù)Tab.1Material parameters

表2 固定系統(tǒng)上提時(shí)的主要載荷Tab.2Major load while fixed parts upward

圖2 懸掛式自動(dòng)泵抽裝置固定系統(tǒng)整體有限元模型Fig.2FEM of hanging automatic pumping fixed device

2 靜力分析

上提過(guò)程懸掛式自動(dòng)泵抽裝置固定系統(tǒng)的橫向偏移如圖3所示，井架頂部的橫向偏移最大，位移為567.3 mm，主要由于作業(yè)載荷作用導(dǎo)致井架整體傾斜。圖4為上提過(guò)程中繃?yán)K及提升鋼絲繩的軸向應(yīng)力分布圖，提升鋼絲繩的軸向應(yīng)力最大，為189 MPa;井架背面繃?yán)K的軸向應(yīng)力為61.2 MPa;滾筒架繃?yán)K的軸向應(yīng)力為34.2 MPa。

圖3 上提過(guò)程系統(tǒng)橫向位移圖Fig.3Lateral displacement map for system upward

圖4 上提過(guò)程鋼絲繩軸向應(yīng)力圖Fig.4Axial stress distribution of rope upward

3 動(dòng)力分析

實(shí)際作業(yè)中，井下光桿及抽油泵所受載荷一般是以突加載荷的形式作用到負(fù)荷皮帶上。相對(duì)于靜力分析，突加載荷會(huì)引起滾筒及滾筒固定架的晃動(dòng)，使負(fù)荷皮帶偏移井口晃動(dòng)。同時(shí)突加載荷也會(huì)大大提升井架、繃?yán)K等的峰值應(yīng)力，從而對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高要求。

因此，在對(duì)懸掛式自動(dòng)泵抽裝置進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，對(duì)與抽油泵光桿連接的負(fù)荷皮帶施突加載荷，載荷隨時(shí)間變化如圖5所示。其它載荷處理成靜載，約束情況與靜力分析完全一致。模擬時(shí)間為10 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。上提過(guò)程中，井架頂部的橫向位移響應(yīng)如圖6所示。由于突加載荷，井架頂部偏移峰值為992 mm，經(jīng)歷8 s之后井架頂部偏移趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的偏移值與靜力分析一致，動(dòng)力分析井架頂部偏移峰值較靜態(tài)分析提高了約80%。

圖5 上提過(guò)程載荷隨時(shí)間變化圖Fig.5Load V.S.time when system upward

圖6 井架頂部偏移時(shí)間歷程Fig.6Journey of derrick top deviates time

井架頂部的四根繃?yán)K中，背面2根繃?yán)K的軸向應(yīng)力最大，軸向應(yīng)力時(shí)間歷程如圖7所示，軸向應(yīng)力峰值為69.7 MPa。支撐滾筒架架頂?shù)陌烁嚴(yán)K中，滾筒架右側(cè)下方2根繃?yán)K的軸向應(yīng)力最大，軸向應(yīng)力時(shí)間歷程如圖8所示，軸向應(yīng)力峰值為52.4 MPa。上提過(guò)程中提升鋼絲繩的軸向應(yīng)力時(shí)間歷程如圖9所示，軸向應(yīng)力峰值為250 MPa。

圖7 滾筒固定架頂部繃?yán)K軸向應(yīng)力時(shí)間歷程Fig.7Axis stress V.S.time journey of roller fixing top frame rope

圖8 滾筒固定架繃?yán)K軸向應(yīng)力時(shí)間歷程Fig.8Axis stress V.S.time journey of roller fixing frame rope

圖9 提升鋼絲繩軸向應(yīng)力時(shí)間歷程Fig.9Axis stress V.S.time journey of lifting rope

4 繃?yán)K剛度對(duì)分析結(jié)果的影響

由于繃?yán)K的剛度范圍較大，其彈性模量范圍約為4～18 GPa。以上分析過(guò)程中繃?yán)K的彈性模量取為4 GPa。為研究繃?yán)K剛度對(duì)分析結(jié)果的影響，在繃?yán)K截面尺寸不變情況下，取繃?yán)K彈性模量為18 GPa進(jìn)行了分析，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3、4。

表3 靜載上提時(shí)繃?yán)K剛度對(duì)系統(tǒng)最大等效應(yīng)力和井架頂部橫向偏移的影響Tab.3The guy rope stiffness affects on maximum equivalent stress and derrick top deviates of dead load lifting

表4 動(dòng)載上提時(shí)繃?yán)K剛度對(duì)系統(tǒng)最大等效應(yīng)力和井架頂部橫向偏移的影響Tab.4The guy rope stiffness affects on maximum equivalent stress and derrick top deviates of live load lifting

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，繃?yán)K剛度對(duì)懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置的靜動(dòng)態(tài)分析結(jié)果影響較大?？?yán)K剛度越高，靜、動(dòng)力分析中井架偏移幅值降低幅度越大，同時(shí)提升鋼絲繩的軸向應(yīng)力峰值也有所下降。建議采用剛度較大、規(guī)格更高的繃?yán)K。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上提作業(yè)時(shí)懸掛式自動(dòng)泵抽排液裝置進(jìn)行了有限元靜、動(dòng)力分析，計(jì)算了井架頂部偏移，提升鋼絲繩、井架及滾筒固定架繃?yán)K的應(yīng)力，得出如下結(jié)論:

(1)上提過(guò)程中，由于提升鋼絲繩軸向應(yīng)力較大，可以適當(dāng)提高鋼絲繩的尺寸規(guī)格;

(2)繃?yán)K彈性模量對(duì)固定架整體偏移有較大影響，建議選取高剛度、高規(guī)格的繃?yán)K;

(3)作業(yè)時(shí)緩慢加載，盡量降低作業(yè)載荷的動(dòng)載效果;

(4)在參數(shù)設(shè)計(jì)合理的情況下，懸掛式自動(dòng)泵抽裝置固定系統(tǒng)能夠有效滿足預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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Mechanical analysis of hanging automatic pumping device

SUN Feng1，ZHANG Neng2
(1.Department of Arts Design China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Department of Architecture，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

Hanging automatic pump device is a new equipment designed for the construction of wildcat.In this paper，ANSYS is applied to analyze the static and dynamic process of hanging automatic pump device during operation.The results show that during the lift operation，the axial stress of the hoisting rope is relatively larger and a wire rope with higher dimension is needed.The elastic modulus of guy wire has a greater influence on the lateral displacement offset of the fixation，and a guy wire with a higher stiffness is recommended.

hanging automatic pump device;static and dynamic analysis;rope

TE935

A

1001-196X(2014)06-0040-04

2014-04-02;

2014-07-02

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(12CX04017B，13CX02090A)

孫峰(1978-)，男，中國(guó)石油大學(xué)講師，主要研究方向:石油機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)，海洋平臺(tái)人機(jī)關(guān)系方面研究。