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        石油開采注水管內(nèi)壁切削刀具分析

        2016-10-21 17:00:17劉德
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年7期
        關(guān)鍵詞:刀具

        摘 要:注水管內(nèi)壁切削除垢技術(shù)是一種機械除垢方式,能有效地增大注水管工作內(nèi)徑,從而提高注水效率。相對于化學(xué)除垢以及高壓水射流除垢,機械除垢更加環(huán)保、操作更加方便,除垢效果也更加顯著。根據(jù)垢物切削機理模型的特點,對所設(shè)計的刀具進行有限元分析。對注水管結(jié)垢試件進行了切削除垢試驗,為進一步改進刀具提供了依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:人工注水;切削除垢;脆性材料;刀具;應(yīng)力分布

        引言

        在石油開采過程中,為提高原油采收率常常利用人工注水或注氣的方法,增補油藏能量使原油得到連續(xù)開采,所采用的人工注水方法會使注水管內(nèi)壁形成垢物,導(dǎo)致工作管徑縮小,影響注水效率。國內(nèi)外對管內(nèi)壁除垢技術(shù)展開了大量研究,這些研究主要集中在化學(xué)除垢和高壓水噴射除垢方面,而在機械除垢方法研究相對較少,故通過對脆性材料切削機理的研究及設(shè)計合適的切削裝置,對注水管內(nèi)壁切削除垢技術(shù)進行試驗和理論研究,進而提高注水管除垢的效率和可靠性,這對于注水管內(nèi)壁除垢技術(shù)實踐應(yīng)用具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義[1]。

        1 注水管內(nèi)壁切削除垢刀具設(shè)計

        除垢器結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由切削裝置、磨銑裝置、傳動裝置、密封扶正裝置組成。這里將針對切削裝置的刀具進行研究分析,提高刀具切削性能。刀具是切削除垢系統(tǒng)的核心部分,刀具結(jié)構(gòu)決定了切削除垢過程應(yīng)力、應(yīng)變的變化效果,以及除垢能力的強弱等因素[1、2]??紤]到切削除垢對象為環(huán)狀結(jié)構(gòu),垢物粘接在注水管內(nèi)壁,呈凹凸起伏,不均勻狀,適合于深孔鏜削作業(yè),因此除垢刀具設(shè)計參照深孔加工刀具來進行設(shè)計。

        本除垢器內(nèi)部安裝的渦輪轉(zhuǎn)子在動力液的作用下轉(zhuǎn)動,并產(chǎn)生扭矩,帶動主軸轉(zhuǎn)動。主軸端部與除垢刀具連接,帶動其旋轉(zhuǎn),對注水管結(jié)垢進行清除。

        2 刀片材料的選擇

        考慮到被加工材料為脆性材料,即其主要成分為CaCO3,結(jié)構(gòu)分布不均勻,大部分呈致密分布,同時伴隨有明顯氣孔產(chǎn)生[3]。根據(jù)砂巖力學(xué)性能分析,其抗拉強度為4~25MPa,該材料為脆性材料,切屑形態(tài)為蹦碎切屑,因此,對于除垢刀具的刀片材料應(yīng)選擇強度高的硬質(zhì)合金材料,這里選擇刀具材料為YG8。該材料抗彎強度不低于20MPa,因此,可以滿足被加工材料的要求[4、5]。

        3 刀具結(jié)構(gòu)靜力分析

        3.1 切削力分析

        以所設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)為依據(jù)進行受力分析。由于刀具結(jié)構(gòu)完全對稱,兩個刀齒上所受的切削力Fz和Fy理論上完全抵消,此時刀具上只有兩個刀齒所承受的軸向切削力Fx,F(xiàn)z和Fy產(chǎn)生的導(dǎo)向塊軸向摩擦力和摩擦扭矩,以及Fz產(chǎn)生的切削扭矩MF,其受力簡圖如圖2所示。

        依據(jù)空間一般力系的平衡條件列X軸的平衡方程,得:

        依據(jù)空間一般扭矩的平衡條件列圓周方向的平衡方程,得:

        由摩擦力公式可以得到:

        式中:Fx總-總支軸向力;M總-總支扭矩;Fx-軸向切削力分量;Ff1、Ff2-導(dǎo)向塊1和2上的軸向摩擦力;Ffx1、Ffx2-導(dǎo)向塊1和2上的正壓力;Fn1、Fn2-導(dǎo)向塊1和2上的周向摩擦力;μ1、μ2-導(dǎo)向塊1和2與孔壁的摩擦系數(shù)

        3.2刀具網(wǎng)格劃分

        首先,對模型材料進行參數(shù)的定義,其包括單元類型、單位制、材料的特性等。在單位制的制定中,在保證單位統(tǒng)一的前提下,可以使用任一種單位制。材料的性質(zhì)參數(shù)被稱作材料特性,進行分析前,首先要定義材料的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)。除垢刀具使用的材料是高速工具鋼,材料參數(shù)特性如表1所示。

        表1 高速工具鋼材料特性

        選取合適的單元類型是有限元分析的前提,文章選取solid45單元,該單元用于三維實體結(jié)構(gòu)模型,單元由8個節(jié)點結(jié)合而成,每個節(jié)點有x、y、z 3個方向的自由度。具有塑性,蠕變,膨脹,應(yīng)力強化,大變形和大應(yīng)變的特征,可以獲得簡化的綜合的微控選項,滿足刀具的分析要求。考慮到刀具在切削過程中刀片與試樣直接接觸,預(yù)期接觸面上應(yīng)力達到最大值,故網(wǎng)格劃分時對刀片處加密,劃分網(wǎng)格后的效果如圖3所示。

        3.3 加載及求解

        結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域,用于求解外加載荷引起的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。當(dāng)有限元模型建立后,各單元的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可根據(jù)塑性力學(xué)的應(yīng)變增量理論寫為:

        式中;ε-應(yīng)變,Pa;dε-以張量表示的應(yīng)變增量,Pa;σ-應(yīng)力,Pa;dσ-應(yīng)力增量,Pa;σ'ij-應(yīng)力導(dǎo)數(shù);P-平均主應(yīng)力,Pa;δ-質(zhì)點位移,μm;E、G、μ-分別為彈性模量、剛性模量和泊松比

        用矩陣表達式,各元素結(jié)點的力增量{dF}與結(jié)點的位移增量{dδ}之間的關(guān)系即剛度方程,可表示為:

        式中:[B]-應(yīng)變-位移矩陣,定義為: ;[D]-應(yīng)力-

        應(yīng)變矩陣,定義為: ;Δ、aw-微元素元面積和厚度;

        [KG]-圖形非線性修正項。

        整體應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)是根據(jù)每個節(jié)點的位移增量和應(yīng)力增量,以及每個單元上的平均應(yīng)變和應(yīng)力而得到的,通過考慮特定的邊界條件解方程求解得到,根據(jù)以上分析方法,當(dāng)前處理合適時,就可以得到較為理想的數(shù)值解。

        3.4 約束及求解

        根據(jù)刀具工作時的裝夾方式,即在刀具柄部外表面的軸向圓柱面上施加全位移約束,使得刀具不能在軸向和徑向發(fā)生竄動和跳動。另外,簡化刀具受力情況,施加載荷時假設(shè)切削力作用在主切削刃上,給一定切削力大小,通過有限元求解得到對刀具工作過程中的應(yīng)力變化情況,如圖4所示。

        從應(yīng)力結(jié)果圖可以看出,刀具應(yīng)力由外到內(nèi)逐漸減小分布,最大應(yīng)力集中在刀具主切削刃處。通過對刀具進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,一方面可以得到刀具受力時,其應(yīng)力分布情況,以及其最大受力點;另一方面,當(dāng)?shù)弥毒呔唧w受力大小時,可以通過加載相應(yīng)載荷以得到其是否超過刀具彎曲強度,使刀具變形。

        4 結(jié)束語

        (1)結(jié)合物相分析理論針對垢樣成分進行分析,從結(jié)垢管線解剖情況來看,管線結(jié)垢呈現(xiàn)兩種形式:一種是堅硬致密的結(jié)垢物,其主要成分為CaCO3;另一種是與致密結(jié)垢物混合附著在注水管內(nèi)壁的雜質(zhì),其成分為砂土、松軟油泥等。(2)通過對刀具結(jié)構(gòu)的靜力分析可以得出,刀具在靜態(tài)條件下受指定載荷作用時的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況,即刀具應(yīng)力由外到內(nèi)逐漸減小分布,最大應(yīng)力集中在刀具主切削刃處。(3)通過對帶垢注水管進行建模,用ANSYS軟件對注水管內(nèi)壁進行應(yīng)力分析,從應(yīng)力云圖可以看出垢物受力由里向外逐漸減小,并且最大應(yīng)力出現(xiàn)在與刀具接觸的接觸面內(nèi)。

        參考文獻

        [1]楊建華,南國立.注水管線酸洗除垢工藝[J].石油工程建設(shè),2004,20

        (6):42-43.

        [2]孫定華.高壓水射流技術(shù)在石化管道清洗中的運用[J].化學(xué)工程與裝備,2008(6):82-83.

        [3]李媛.淺談油田注水結(jié)垢現(xiàn)象[J].內(nèi)蒙古石油化工,2013,39(9):57-58.

        [4]楊俊飛,田欣利,劉超,等.非金屬硬脆材料加工技術(shù)的最新進展[J].新技術(shù)新工藝,2009(8):10-16.

        [5]姜春榮,劉翻海.YCG-100/10型油管內(nèi)壁除垢機[J].石油機械,1994(12).

        作者簡介:劉德,研究方向:機械制造及其自動化。

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