管鋒，徐夢卓 (長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉燕 (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

劉少胡 (長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

連續(xù)管廣泛應(yīng)用于試油、修井、完井、測井、增產(chǎn)、鉆井、管道集輸?shù)阮I(lǐng)域，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的特種作業(yè)設(shè)備[1]。滾筒裝置是連續(xù)管的儲運設(shè)備，主要功能是容納、支撐連續(xù)管，確保連續(xù)管收放平穩(wěn)、纏繞整齊。但滾筒裝置體積較大，結(jié)構(gòu)為一體式，不方便運輸及吊裝；更換連續(xù)管尺寸大小或材料類型時，一體式滾筒拆卸和纏繞連續(xù)管的時間均較長，大大降低了連續(xù)管作業(yè)車的整體效率；纏繞在滾筒上的連續(xù)管發(fā)生的塑性變形引起滾筒的外部擠壓[2]，容易導(dǎo)致底座變形。因此，發(fā)展快換式連續(xù)管滾筒很有必要。

2003年，T.D.Clain等提出了一種新型的連續(xù)管滾筒筒芯與底座支架的連接型式[3]，即筒芯兩側(cè)均有一個帶槽的支撐輪轂，該槽可與凸臺卡在一起，起到限位作用。2011年，劉英蓮等設(shè)計了可更換速裝滾筒裝置[4]，該裝置使用可以迅速抽離的鍥形塊和插裝板，實現(xiàn)滾筒的驅(qū)動和快速裝卸。由于采用鍥塊式夾緊，同時通過螺紋來實現(xiàn)鍥塊的調(diào)整和限位，更換時存在一定的安全隱患。2012年，李世奇等提出了一種快換式連續(xù)管滾筒裝置[5]，該連接方式安全巧妙，但容易出現(xiàn)過定位的問題。針對以上滾筒結(jié)構(gòu)的不足，筆者設(shè)計了一種新型的快換式滾筒結(jié)構(gòu)。

1 滾筒總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 快接盤的連接形式

筆者設(shè)計的快換式滾筒結(jié)構(gòu)主要創(chuàng)新點在于快接盤的連接型式為銷軸連接，即筒芯上的快接盤與底座上的快接盤通過一個中心孔插裝銷軸進行連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。而常用的滾筒連接型式大多為螺紋連接，其快換部分的主要部件為鍥形塊和插裝板。

滾筒總成主要由滾筒橇架、滾筒體、高壓管匯、排管器、計數(shù)器、滾筒管路、潤滑系統(tǒng)，防護框架等幾大部分組成，滾筒總成主要部件及其裝配關(guān)系如圖2所示。

1.1 滾筒橇架

滾筒橇架由帶支撐座的滾筒底橇、滾筒安裝座、滾筒吊架組成。滾筒底橇有2個250mm×100mm(寬×高)的起重用叉車槽，兩叉車槽的中心距為1850mm。用于驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)的2個液壓馬達直接安裝在滾筒安裝座上，通過齒輪傳動方式，驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)。滾筒橇架起保護作用，通過銷軸直接與滾筒底橇連接。在滾筒橇架頂部四角處有用于吊裝(或拆卸)橇架的吊耳。滾筒吊架安裝在滾筒安裝座上，用于吊裝纏繞連續(xù)管的滾筒或吊裝整橇。滾筒橇架整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 滾筒總成結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 滾筒橇架示意圖

圖4 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)

常規(guī)滾筒主要采用鏈條驅(qū)動滾筒正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速，使?jié)L筒獲得較低轉(zhuǎn)速和較大扭矩[6]。快換式滾筒則是通過液壓馬達帶動齒輪減速驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，瞬間傳動比恒定且穩(wěn)定性高，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊。該驅(qū)動系統(tǒng)主要組成有液壓馬達、一級小齒輪、一級大齒輪、二級小齒輪、回轉(zhuǎn)支撐、滾筒快接盤等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其中一級減速齒輪采用油潤滑方式進行潤滑，二級減速齒輪采用潤滑脂方式進行潤滑。

1.3 滾筒筒芯

1.3.1滾筒底徑的計算

滾筒筒芯的尺寸可按表1中的數(shù)據(jù)進行選取和計算[7]。

表1 連續(xù)管尺寸與筒芯尺寸對應(yīng)關(guān)系

對于尺寸為2in的連續(xù)管，根據(jù)表1，取其對應(yīng)的滾筒半徑為：

r=40in=40×25.4mm=1016mm

綜上所述，滾筒底徑為D=2r=80in=2032mm。

1.3.2滾筒容量的計算

2.2.2 氣溫相關(guān)指標。本研究以有無發(fā)病為分組依據(jù)，分為有發(fā)病組（n=847）、無發(fā)病組（n=614），納入的氣溫指標有平均氣壓、日氣壓差、日平均氣溫、日氣溫差、日平均水汽壓、日平均相對濕度、日降水量、日平均風(fēng)速、日極大風(fēng)速、舒適度指數(shù)，結(jié)果提示，上述氣象學(xué)指標差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見（表2）。

圖5 滾筒尺寸圖

滾筒連續(xù)管容量要求設(shè)計：1.5in油管可纏繞8100m；1.75in油管可纏繞5900m；2in油管可纏繞4600m。滾筒容量主要由油管外徑d，滾筒底徑C，輪緣內(nèi)側(cè)寬度B，滾筒外徑A決定，如圖5所示。

由容量相關(guān)參數(shù)可確定滾筒尺寸為：滾筒底徑C=80in(2032mm)，輪緣寬度B=70in(1778mm)，滾筒外徑為140in(3556mm)。對2in的連續(xù)管，外徑為50.8mm，則使用上述滾筒，每層可纏繞35圈的連續(xù)管。按照該滾筒的設(shè)計纏繞容量4600m，可計算出2in連續(xù)管在其上的纏繞層數(shù)、纏繞長度和纏繞重量的數(shù)據(jù)，如表2所示。

1.3.3滾筒筒芯結(jié)構(gòu)

圖6 滾筒筒芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 滾筒筒身單元受力平衡圖

吊耳焊接在滾筒體上，快接盤焊接在吊耳的正下方，其中滾筒筒芯上的快接盤用來與底座上的快接盤通過中間的大圓孔進行定位，又根據(jù)之前的筒芯尺寸計算，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.4 快換原理

滾筒筒芯自身的快接盤與底座的快接盤通過插裝銷軸連接，實現(xiàn)滾筒的轉(zhuǎn)動和裝卸。液壓馬達通過減速器驅(qū)動快接盤轉(zhuǎn)動，再通過快接盤的轉(zhuǎn)動帶動滾筒的旋轉(zhuǎn)。在拆卸滾筒前，首先需要從注入頭上卸掉油管，保證油管端部始終牢固；用鏈條把繞在滾筒上的外層油管固定好；用吊帶把吊耳連接到平衡梁的上部卡子上，再把吊帶從平衡梁連接到滾筒吊耳上，并保證吊耳向上；安裝好叉桿銷，保證定位銷就位、固定。待吊車起到能夠保證筒芯不會落于地面的安全位置后，再將銷軸卸下,使得2個快接盤分開,再把筒芯移至到規(guī)定區(qū)域,這樣就實現(xiàn)了滾筒的快速拆卸的過程。

2 快換式滾筒的受力分析

當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)起升和下降連續(xù)管時，筒芯纏繞的連續(xù)管會對筒身產(chǎn)生徑向壓力，同時對側(cè)板產(chǎn)生軸向擠壓力。此外滾筒還會受到彎矩和扭矩的作用，由于其產(chǎn)生的應(yīng)力很小，所以在計算時可以忽略不計。

2.1 筒芯纏繞連續(xù)管對筒身的壓力

假設(shè)每圈連續(xù)管對筒身的壓力均勻作用在寬度為d(連續(xù)管外徑)的圓環(huán)上，則該圓環(huán)的受力平衡條件如圖7所示，兩端連續(xù)管的拉力N1與環(huán)對連續(xù)管的反力的垂直分力相平衡[8]：

(1)

當(dāng)纏繞n層時，其公式為[8]：

(2)

圖8 筒身纏繞2層連續(xù)管后的受力分析圖

式中，Prn為纏繞n層連續(xù)管后滾筒筒身受到的壓力，MPa；Nk為第k層連續(xù)管受到的拉力，N；uk為纏繞k層連續(xù)管后滾筒筒身的徑向位移，mm；E2為連續(xù)管的彈性模量，MPa。

2.2 筒芯纏繞連續(xù)管對側(cè)板的擠壓力

當(dāng)筒身上只纏繞1層連續(xù)管時，沒有對側(cè)板產(chǎn)生擠壓力。當(dāng)纏繞第2層連續(xù)管時，其對第1層連續(xù)管產(chǎn)生的擠壓力Fr2的分力即第1層連續(xù)管對滾筒側(cè)板產(chǎn)生的擠壓力為Fz2,如圖8所示，計算式[8]如下：

(3)

當(dāng)纏繞n層時，其公式為[8]：

(4)

式中，A為連續(xù)管的橫截面積，mm2；Pzn為纏繞n層連續(xù)管后滾筒擋板受到的擠壓力，N。

在理想的情況下，假設(shè)取每層連續(xù)管所受到的拉力大小相同，取值為15000N。通過Excel運算公式計算可得出纏繞每層對應(yīng)的徑向壓力和擠壓力，其具體結(jié)果如表2所示，其中3～14層所對應(yīng)的數(shù)值省略。2in的連續(xù)管纏繞4600m時，滾筒筒身受到約為0.209MPa的壓力，擋板受到12732N的擠壓力。

表2 連續(xù)管纏繞層數(shù)、長度、重量以及擋板所受的軸向力

2.3 風(fēng)載荷

與常規(guī)滾筒最大的區(qū)別在于該滾筒需要考慮其在快換過程中的吊裝，此時主要受力為重力和風(fēng)載荷。當(dāng)該滾筒應(yīng)用于海洋平臺時，要求不能超過8級風(fēng)作業(yè)，通過查表得知8級風(fēng)速大小為17.2～20.7m/s[9]，取最大值20.7m/s。對風(fēng)載荷在快換滾筒吊裝時的靜力影響進行了分析，其風(fēng)載荷F、偏擺角θ公式分別為：

(5)

(6)

式中，F(xiàn)為作用在井架上的風(fēng)載，N；ρ為空氣密度，kg/m3;G為筒芯的重量，N；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)，取1.25；Vk為風(fēng)速，m/s；A為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2。

通過查高度系數(shù)表[10]，考慮最大極限工況吊裝40m所對應(yīng)的Ch取1.2，Cs取1.25，Vk取20.7m/s，考慮到滾筒吊裝時有2種迎風(fēng)情況，即風(fēng)垂直于滾筒直輪緣內(nèi)側(cè)寬度和風(fēng)垂直于滾筒外徑，其面積分別為6.287m2和9.815m2；對應(yīng)的風(fēng)載荷F分別為2475.76N和3865.05N；偏擺角θ分別為0.5°和0.8°，為安全起見，可取偏擺角為1°。

3 快換式滾筒的有限元分析

3.1 快換式滾筒有限元模型

圖9 滾筒體有限元模型

在不影響計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對滾筒模型進行適當(dāng)簡化，利用AnsysWorkbench軟件對滾筒進行靜力學(xué)強度分析。通過查閱機械設(shè)計手冊及參考實際工況，選取滾筒整體的材料為Q345B，為低合金鋼，屈服強度≥345MPa，抗拉強度為450～630MPa，泊松比為0.27，彈性模量E=206GPa。有限元單元大小取60mm，采用自動劃分網(wǎng)格模式劃分網(wǎng)格，其生成的網(wǎng)格疏密均勻，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為310183，單元數(shù)為106411。

主要通過圓柱坐標建立邊界條件：快接盤端面固定約束；筒芯上半部受到15層連續(xù)管的重量24t；筒芯施加軸向和徑向約束(即X，Z方向約束，Y方向自由)；筒身整體受到連續(xù)管的擠壓力約為0.209MPa；側(cè)板受到擠壓力約為12732N,如圖9所示。

3.2 工況分析

快換式滾筒有2種工況：一種是常規(guī)工作工況，一種是快換時的吊裝工況。2種工況所受到的載荷條件略有不同，具體如表3所示。

表3 滾筒在2種工況下的所受載荷對比

3.3 工作時快換式滾筒有限元分析

下面計算滾筒在承受最大載荷的極限工況下(纏繞2in-4600m的連續(xù)管時)的應(yīng)力和變形情況。由圖10可知，其最大變形量為0.59mm，在筒芯中心部位。由于滾筒材料為Q345B，參考工程實踐，選取安全系數(shù)為1.7，則滾筒設(shè)計最大的許用應(yīng)力為345/1.7=203MPa。由圖11可知最大應(yīng)力為198.92MPa，位于吊耳底端與吊耳旁的筋桿交匯角。由于小于最大許用應(yīng)力203MPa，該滾筒強度符合設(shè)計要求。

3.4 吊裝時快換式滾筒有限元分析

快換滾筒與常規(guī)滾筒的最大不同在于吊裝工況，當(dāng)筒芯通過吊車進行更換時，其受到的風(fēng)載需要考慮進去。其風(fēng)載大小根據(jù)上節(jié)理論計算取3865.05N，加載到模型中，約束面為吊耳的2個孔，通過Workbench分析可得到其應(yīng)力和變形情況：由圖12可得最大變形量為0.244mm，圖13可知吊裝工況下最大應(yīng)力值為127.98MPa，位于筒身內(nèi)徑的半圓弧與吊耳旁的筋桿交匯角。由于小于最大許用應(yīng)力203MPa，該滾筒強度符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)計了一種新型的連續(xù)管快換式滾筒結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點為結(jié)構(gòu)集成化，快換時定位方式簡單，拆裝更換方式安全。

圖10 工作時滾筒體位移云圖 圖11 工作時滾筒體應(yīng)力云圖

圖12 吊裝時滾筒體位移云圖 圖13 吊裝時滾筒體應(yīng)力云圖

2)該快換式滾筒結(jié)構(gòu)采用新型的快接盤連接方式，筒芯的快接盤與底座的快接盤通過一個中心孔插裝銷軸進行連接，結(jié)構(gòu)新穎，安全可靠。

3)通過計算工作時纏繞連續(xù)管后筒身所受壓力、滾筒側(cè)板所受擠壓力以及吊裝滾筒所受風(fēng)載，采用Workbench軟件進行靜力分析。分析結(jié)果表明，在工作和吊裝2種工況下，該滾筒結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

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