吳大飛 朱再思 郭宇 郭偉

（中石油江漢機(jī)械研究所有限公司,湖北 荊州 434000）

連續(xù)管作業(yè)機(jī)主要用于修井、完井、壓裂、鉆井等領(lǐng)域被稱為“萬(wàn)能作業(yè)機(jī)”,由于其占地面積小、成本低、安裝方便等特點(diǎn)應(yīng)用廣泛且發(fā)展前景在不斷提高[1,2]。倒管裝置作為連續(xù)管盤管必不可少的工具,將纏繞在運(yùn)輸滾筒上的連續(xù)管整齊完好地倒入到工作滾筒上或?qū)⑦B續(xù)管作業(yè)機(jī)上的連續(xù)管倒入到運(yùn)輸滾筒上,是連續(xù)管施工的關(guān)鍵[3-5]。倒管裝置實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)連續(xù)管互相之間的快速更換,提高了連續(xù)管作業(yè)效率,減小勞動(dòng)強(qiáng)度,因此對(duì)連續(xù)管倒管裝置的研究具有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于連續(xù)管倒管裝置的研究相對(duì)較少且結(jié)構(gòu)單一。馬洪鐘等設(shè)計(jì)了一種適用于不同中心孔的運(yùn)輸滾筒的倒管器,拓寬了倒管器的適用性,提高工作效率[6]。殷卓成等研制了一種新型連續(xù)管倒管器,采用有限元分析方法和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明該倒管器設(shè)計(jì)的可靠性[7]。吳大飛等設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)管滾筒排管液壓離合器[8]。王永強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種帶遠(yuǎn)控裝置的連續(xù)管倒管裝置[9]。

倒管裝置結(jié)構(gòu)是影響連續(xù)管作業(yè)的重要因素,針對(duì)這個(gè)問題筆者以連續(xù)管張緊力及滾筒扭矩的研究為理論基礎(chǔ)對(duì)倒管裝置的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,最后現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

1 滾筒扭矩研究

連續(xù)管在實(shí)際纏管過程中,由于滾筒的半徑遠(yuǎn)小于連續(xù)管的屈服半徑,因此連續(xù)管纏繞在滾筒上后,發(fā)生了很大的塑性變形。另外連續(xù)管在纏繞時(shí)為拉彎受力,拉力將引起連續(xù)管的軸向拉伸變形,不但引起連續(xù)管中性層的偏移,變形增大,而且由于殘余拉應(yīng)力的影響,使得連續(xù)管與滾筒之間產(chǎn)生正壓力,引起連續(xù)管的外部擠壓,這些都將對(duì)連續(xù)管的使用壽命產(chǎn)生較大的影響[10-13]。因此選擇合適的拉力大小對(duì)連續(xù)管的使用壽命起著至關(guān)重要的作用,此外對(duì)連續(xù)管張緊力及滾筒扭矩的研究也是進(jìn)行倒管裝置設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

1.1 續(xù)管張緊時(shí)拉力和滾筒扭矩關(guān)系模型

連續(xù)管在滾筒上張緊時(shí),跟一般的繩索纏繞不一樣,由于連續(xù)管具有較大的剛度,所以在受拉后,拉力作用線不可能與滾筒圓周相切,其實(shí)際作用力的方向和連續(xù)管變形如圖1 所示。

圖1 連續(xù)管工作狀態(tài)下的實(shí)際變形和受力

通過受力分析可得連續(xù)管剛離開滾筒點(diǎn)A 處的截面彎矩MA、軸力NA、連續(xù)管上的拉力F 和滾筒扭矩T 之間的幾個(gè)關(guān)系式：

以上各式中：

θ- 反映連續(xù)管在滾筒上的張緊程度。

MA,NA- 分別為連續(xù)管剛離開滾筒位置點(diǎn)的截面彎矩和軸力。

d- 連續(xù)管拉力作用線到連續(xù)管纏繞外圓之間的最短距離,隨滾筒上排管器的位置而定。

R- 連續(xù)管纏繞半徑。

1.2 筒扭矩計(jì)算

連續(xù)管截面上軸力與彎矩之間的關(guān)系為：

通過前面的分析,已經(jīng)得到了計(jì)算連續(xù)管截面內(nèi)力的公式,可求得連續(xù)管的中性線偏移量b 和彎矩MA。然后分別求得張緊拉力F 和滾筒扭矩T 的大小。

下面以CT70 連續(xù)管為例來計(jì)算不同張緊程度下截面中性線偏移量b 和彎矩MA,連續(xù)管張緊力F 和對(duì)應(yīng)的滾筒扭矩T（見表1）,已知參數(shù)如下：

表1 滾筒扭矩T,單位Nm

連續(xù)管外徑1.5″,壁厚0.109″,屈服極限492.6MPa,滾筒底徑為1830mm,連續(xù)管纏繞的最小直徑為1868mm。結(jié)果的正確性造成影響。

再以CT80 連續(xù)管計(jì)算不同張緊程度下連續(xù)管張緊力F和所需的滾筒扭矩T（見表2）,已知參數(shù)如下：

屈服極限492.6MPa,滾筒底徑為2133mm,壁厚4.445mm 纏繞連續(xù)管進(jìn)行計(jì)算,連續(xù)管纏繞最小直徑為2193.325mm。

以上計(jì)算是連續(xù)管處于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況,如果當(dāng)滾筒剛剛啟動(dòng),或者加速運(yùn)動(dòng)時(shí),滾筒還會(huì)有一個(gè)加速轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,所以此時(shí)的實(shí)際扭矩比上述結(jié)果大。在不考慮連續(xù)管的張力的情況下,連續(xù)管滾筒起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

式中：β——滾筒的角加速度；

m——滾筒和連續(xù)管的總重。

滾筒所需總扭矩：

T滾筒=T+M啟動(dòng)（9）

由計(jì)算得出連續(xù)管和滾筒扭矩的公式。連續(xù)管張緊拉力和滾筒扭矩對(duì)鏈傳動(dòng)和鏈輪尺寸的確定以及倒管裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要意義,因此需要對(duì)倒管器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2 倒管器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

倒管器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由液壓馬達(dá)、減速器、鏈輪和鏈條組成,它們相互傳遞力矩驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),完成對(duì)連續(xù)管的倒管作業(yè)[14]。

按照倒管器功能的要求,倒管裝置采用液壓馬達(dá)加直角行星減速器和鏈輪的傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng),滿足倒管裝置纏管速度和扭矩的要求[15]。由一臺(tái)液壓馬達(dá)帶動(dòng)減速器,通過鏈條驅(qū)動(dòng)倒管裝置的大鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),大鏈輪與輪轂采用法蘭連接,輪轂內(nèi)側(cè)焊有與運(yùn)輸滾筒連接的支桿,由支桿驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)[16]。

倒管器軸結(jié)構(gòu)方案一,輪轂與左軸通過銅套配合,左軸直接焊接在底座上,液壓馬達(dá)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),左軸不轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但左軸不能更換。

倒管器軸結(jié)構(gòu)方案二,輪轂與左軸通過平鍵配合,左軸通過整體軸承座與底座連接,液壓馬達(dá)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),左軸也轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)的好處是左軸可以更換,適合不同中心孔的運(yùn)輸滾筒。本設(shè)計(jì)采用方案二的結(jié)構(gòu)。

3 倒管裝置主軸強(qiáng)度校核

由運(yùn)輸滾筒的連接法蘭孔尺寸來確定倒管裝置上支撐軸的直徑尺寸,可初步確定軸的整體尺寸。主要載荷為滾筒及連續(xù)管重力289.76KN 和鏈傳動(dòng)的壓軸力65.28KN。軸的材料選用35CrMo,調(diào)質(zhì)處理。

左軸如圖2 所示。軸上扭矩最大點(diǎn)發(fā)生在A 點(diǎn),

圖2 左軸的尺寸

A 點(diǎn)的扭矩為：

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

倒管裝置研制成功后,在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量倒管應(yīng)用（圖3）。利用此倒管裝置將連續(xù)管作業(yè)機(jī)滾筒上的4500 米2-3/8″連續(xù)管成功地倒入到鋼制運(yùn)輸滾筒,并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)管的整齊排列。新研制的倒管裝置不僅滿足了不同型號(hào)連續(xù)管和不同型號(hào)運(yùn)輸滾筒之間的盤管要求,排管系統(tǒng)還達(dá)到整齊排列連續(xù)管的目的。

圖3 4500 米2-3/8″連續(xù)管從作業(yè)機(jī)滾筒倒入鋼制滾筒

5 結(jié)論

5.1 經(jīng)過分析可知連續(xù)管在滾筒上纏繞后,彈性變形量隨材料屈服強(qiáng)度增大而增大,為實(shí)際高度的12%；極限彎矩與實(shí)際彎矩相差5%,故在實(shí)際工程計(jì)算中不考慮純彈性變形。由計(jì)算得出連續(xù)管受拉彎變形時(shí)的截面內(nèi)力、張緊拉力和滾筒扭矩公式。

5.2 基于連續(xù)管張緊拉力和滾筒扭矩對(duì)倒管器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,采用輪轂與左軸平鍵配合且軸與鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)分離的運(yùn)動(dòng)方式,并對(duì)鏈傳動(dòng)和鏈輪尺寸以及左軸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核,并對(duì)支桿的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核,最后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明此結(jié)構(gòu)滿足工作要求。這種結(jié)構(gòu)提高了倒管器的使用壽命,增強(qiáng)了倒管裝置的穩(wěn)定性。