姜有云 馬守正 付群利 翟學(xué)偉

摘要：在進(jìn)行石油鉆井、采油等井場(chǎng)作業(yè)時(shí)需要采用相關(guān)的石油機(jī)械，井場(chǎng)環(huán)境惡劣，容易對(duì)石油設(shè)備造成影響，因此對(duì)石油機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度和抗壓能力等要求較高。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)可以有效地對(duì)石油機(jī)械的應(yīng)力情況加以分析，從而避免常規(guī)分析方法帶來(lái)的誤差。本文介紹了應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的工作原理和發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)分析了應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變電測(cè)技術(shù)；石油機(jī)械；應(yīng)用分析

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用較為廣泛，和常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中檢測(cè)較為方便，受環(huán)境的干擾較小。但同時(shí)，應(yīng)變電測(cè)技術(shù)也存在一定的局限性，這就要求設(shè)計(jì)人員需要解決應(yīng)用上的問題，確保應(yīng)變電測(cè)技術(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

1.應(yīng)變電測(cè)技術(shù)原理及其發(fā)展

1.1應(yīng)變電測(cè)技術(shù)原理

金屬材料在受到壓力時(shí)都會(huì)產(chǎn)生形變，這種形變往往用肉眼無(wú)法看出。這時(shí)可以將電阻應(yīng)變片作為傳感器元件，當(dāng)金屬材料受到形變時(shí)可以使電阻產(chǎn)生變化，將電阻的變化放大轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這樣就可以推算出材料應(yīng)變力的情況。電阻應(yīng)變計(jì)主要由蓋層、引線、基底和敏感柵這幾部分組成。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的工作流程主要如下：

材料受到力的作用產(chǎn)生形變→電阻發(fā)生變化→轉(zhuǎn)化為電壓（或電流）電信號(hào)的變化→電信號(hào)放大—記錄數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→得到相應(yīng)的應(yīng)力變化。

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)和一般的檢測(cè)技術(shù)相比，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)不會(huì)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)有干擾，測(cè)量靈敏度和精度都比較高，而且可以很方便地控制測(cè)量尺寸與范圍，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，不管是在零下兩百度的低溫還是兩千度的高溫下穩(wěn)定性都很好。同時(shí)，應(yīng)變電測(cè)技術(shù)是通過(guò)電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)記錄，這樣方便數(shù)字記錄與分析。

1.2應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的發(fā)展

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在不斷地總結(jié)和發(fā)展中產(chǎn)生了幾種新型的測(cè)量產(chǎn)品。

1.2.1高性能的新型應(yīng)變計(jì)

現(xiàn)在應(yīng)變計(jì)的種類繁多，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多特殊類型的應(yīng)變計(jì)，比如能夠耐八百多度高溫的應(yīng)變測(cè)量計(jì)、防水的應(yīng)變計(jì)、能夠耐零下兩三百度的應(yīng)變計(jì)等等。這些特殊類型的應(yīng)變計(jì)有了更好的穩(wěn)定性，對(duì)高溫、水等環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，而且有的應(yīng)變計(jì)不再是只能測(cè)量材料表面某一個(gè)定點(diǎn)的情況，可以對(duì)表面的應(yīng)力分布進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。

1.2.2現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在對(duì)材料應(yīng)力情況作分析時(shí)，需要采集測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和研究。現(xiàn)在有一種數(shù)據(jù)采集器可以同時(shí)測(cè)量溫度、應(yīng)變量、電壓、電流等多個(gè)參數(shù)，可以與多種不同的傳感器兼容，從而可以更方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。這種數(shù)據(jù)采集儀還可以采集氣象條件、濕度等多種參數(shù)，為數(shù)據(jù)研究和管理提供方便。

2.應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用

2.1井架承載能力評(píng)價(jià)

井架是石油鉆機(jī)的核心部件之一，承受游動(dòng)系統(tǒng)及鉆柱的全部重量，本身載荷和承受的載荷就很大，再加上施工過(guò)程中，受特殊作業(yè)環(huán)境的影響，井架很容易被腐蝕、變形甚至?xí)屏眩瑢?dǎo)致井架無(wú)法正常安全的工作。如果井架在長(zhǎng)時(shí)間的施工過(guò)程中遭受腐蝕和變形，這會(huì)極大地影響井架的抗壓強(qiáng)度，對(duì)施工的安全造成威脅。尤其對(duì)于海洋上的進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，如果發(fā)生意外，后果會(huì)更加嚴(yán)重。由于海洋井場(chǎng)與陸地相隔較遠(yuǎn)，交通阻隔，發(fā)生事故，井架很難及時(shí)運(yùn)回陸地整修，嚴(yán)重影響鉆井的效益和設(shè)備安全。

為了及時(shí)確定井架在施工過(guò)程中所能承受的最大應(yīng)力和承載系數(shù)，需要定期對(duì)井架進(jìn)行壓力測(cè)試。這種測(cè)試需要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面著手，靜態(tài)測(cè)試可以為動(dòng)態(tài)測(cè)試奠定基礎(chǔ)。鉆機(jī)井架的每一個(gè)桿件都會(huì)受到剪切力、彎扭作用力和拉力的綜合作用，通過(guò)理論知識(shí)的推導(dǎo)以及相關(guān)計(jì)算可以得到井架的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，從而可以知道最大正應(yīng)力在桿件的哪一個(gè)點(diǎn)上。一般情況下，安全事故往往就是發(fā)生在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，所以需要對(duì)疑似危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，這樣可以確保石油機(jī)械的使用安全。在桿件的延軸方向可以貼上應(yīng)變傳感元件，采用正應(yīng)力測(cè)試技術(shù)可以對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。桿件軸向的力可能是壓力也可能是拉力，還有可能受到彎矩的綜合作用，所以合力的綜合作用方向是不確定的，這就導(dǎo)致桿件斷面的危險(xiǎn)點(diǎn)無(wú)法確定。因此，為了確保桿件的安全，要在桿件每一個(gè)可能發(fā)生危險(xiǎn)的測(cè)點(diǎn)貼上應(yīng)力傳感元件，這樣才能找到危險(xiǎn)點(diǎn)在什么位置以確保安全。

2.2抽油機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試

抽油機(jī)是目前油田使用最廣的采油設(shè)備之一，他利用四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿原理，將原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上下擺動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)直桿泵從油井中抽出原油。抽油機(jī)的種類繁多，但使用最為廣泛的是游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)主要是有游梁、原動(dòng)機(jī)（電機(jī)或柴油機(jī)）、曲柄、減速箱、驢頭、懸繩器、連桿、支架等幾部分組成。當(dāng)抽油機(jī)工作時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給二級(jí)減速箱，帶動(dòng)曲柄搖桿結(jié)構(gòu)發(fā)生擺動(dòng)，最終將動(dòng)力經(jīng)過(guò)懸掛在驢頭上的懸繩器傳遞到井下，實(shí)現(xiàn)抽油作業(yè)。

隨著井深的增大，抽油機(jī)的沖程也在不斷加大，導(dǎo)致了抽油機(jī)本身的外形和重量不斷增大。在這種情況下、抽油機(jī)在使用過(guò)程出現(xiàn)局部裂痕、變形等問題幾率增多，隨著使用的年限的增大，抽油機(jī)就可能面臨無(wú)法工作的危險(xiǎn)。因此，需要定時(shí)對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)的受力強(qiáng)度進(jìn)行分析，尤其要對(duì)疑似最大正應(yīng)力點(diǎn)處進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以確保抽油機(jī)正常工作、確保設(shè)備壽命的重要手段。

3.結(jié)束語(yǔ)

在采油、鉆井等方面應(yīng)用較廣的石油機(jī)械。為了確保施工的順利進(jìn)行，需要保障石油機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度性能達(dá)到使用要求。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在石油機(jī)械方面的應(yīng)用很廣泛，能夠定期掌握對(duì)測(cè)量材料表面的微小形變以及對(duì)桿件的應(yīng)力分布情況，從而掌握設(shè)備的整體狀況，為維修和保養(yǎng)提供重要的依據(jù)。應(yīng)變電測(cè)技術(shù)在實(shí)際操作中也存在一定的局限性，如何擴(kuò)大應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍和怎樣對(duì)石油機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全面的安全測(cè)試是以后需要研究的方向。

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