劉秀全，　陳國(guó)明，　暢元江

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0　引　言

油氣管柱是石油與天然氣勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備，主要包括鉆桿、鉆井隔水管、海洋立管等。實(shí)際工作中，油氣管柱受到作業(yè)載荷、環(huán)境載荷等動(dòng)態(tài)載荷的影響，易發(fā)生油氣管柱疲勞失效事故[1-5]。

為了準(zhǔn)確評(píng)估油氣管柱疲勞損傷，需要開(kāi)展油氣管柱疲勞實(shí)驗(yàn)，確定油氣管柱的疲勞性能S-N曲線。目前，常規(guī)疲勞實(shí)驗(yàn)方法主要包括軸向拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)法、4點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)法和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)法，可開(kāi)展小尺寸縮比的油氣管柱疲勞性能實(shí)驗(yàn)，但存在實(shí)驗(yàn)效率低、能耗高的缺點(diǎn)，且不適用于全尺寸油氣管柱疲勞性能測(cè)試，而共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)法則為油氣管柱疲勞實(shí)驗(yàn)提供一種行之有效的解決方案[6-9]。因此，為了提高油氣管柱疲勞科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并為油氣管柱疲勞提供良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研制了一套油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1　實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)所受激勵(lì)載荷的頻率與該系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)振幅顯著增大的共振現(xiàn)象。為此，開(kāi)展油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以對(duì)油氣管柱試件旋轉(zhuǎn)激勵(lì)載荷，當(dāng)旋轉(zhuǎn)激勵(lì)載荷的頻率接近試件固有頻率時(shí)試件發(fā)生共振，較小的能量輸入即可引起油氣管柱試件截面出現(xiàn)較大的交變應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損傷，并通過(guò)合理地設(shè)計(jì)油氣管柱試件以提高油氣管柱試件共振頻率，從而低能耗并高效地開(kāi)展油氣管柱疲勞性能實(shí)驗(yàn)[6]。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由試件、傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖1)。傳動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)提供動(dòng)力，帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)，動(dòng)載室將偏心質(zhì)量塊引起的離心激勵(lì)力傳遞至油氣管柱試件，靜載室用于平衡動(dòng)載室和偏心質(zhì)量塊的質(zhì)量；支撐系統(tǒng)主要用于支撐油氣管柱試件，并具備一定的減振功能；安全防護(hù)系統(tǒng)用于防止傳動(dòng)系統(tǒng)的偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)以及試件破壞造成的安全危害；測(cè)控系統(tǒng)用于采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行控制，通過(guò)合理的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持偏心質(zhì)量塊的激勵(lì)載荷頻率接近試件固有頻率，以達(dá)到試件共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的目的。

圖1　共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型

2　實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1　試　件

采用模態(tài)分析法開(kāi)展油氣管柱試件設(shè)計(jì)，通過(guò)合理的選取油氣管柱試件參數(shù)滿足以下兩個(gè)要求：① 確定試件的一階固有頻率(共振頻率)。為了提高試件的疲勞實(shí)驗(yàn)效率常保持共振頻率在較高的水平，一般為10～40 Hz；② 確定試件的一階模態(tài)波節(jié)。模態(tài)波節(jié)處試件的振動(dòng)幅值為零，在此處支撐可以避免試件和支撐系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)相互作用，支撐系統(tǒng)只支撐試件的質(zhì)量，即模態(tài)波節(jié)是試件的最佳支撐點(diǎn)。

油氣管柱模態(tài)分析法包括理論法和有限單元法[10-11]，選取有限單元法開(kāi)展油氣管柱試件模態(tài)分析，采用有限元軟件ABAQUS建立油氣管柱試件模態(tài)分析模型，確定其一階模態(tài)頻率及振型，如圖2所示。其中，試件端部質(zhì)量塊分別為傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)載室和靜載室。根據(jù)有限元分析結(jié)果確定試件的一階固有頻率和振型，試件一階模態(tài)振型的中間位置模態(tài)振幅最 大，在靠近兩端處出現(xiàn)模態(tài)波節(jié)(藍(lán)色區(qū)域)，此處即為支撐系統(tǒng)的最佳支撐點(diǎn)。

圖2　試件模態(tài)分析有限元模型

2.2　傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。傳動(dòng)系統(tǒng)是為了將電機(jī)驅(qū)動(dòng)力傳遞至油氣管柱試件端部，驅(qū)動(dòng)油氣管柱試件發(fā)生共振。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、偏心塊、滾動(dòng)軸承、法蘭和三爪卡盤，電動(dòng)機(jī)輸出軸連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的另一端和傳動(dòng)軸連接，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸和偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心質(zhì)量塊在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生離心力，從而驅(qū)動(dòng)油氣管柱試件端部振動(dòng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率以達(dá)到驅(qū)動(dòng)油氣管柱試件發(fā)生共振的目的。

圖3　傳動(dòng)系統(tǒng)

2.3　支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)如圖4所示。電動(dòng)機(jī)支架用于支撐電動(dòng)機(jī)，試件支撐系統(tǒng)主要用于支撐油氣管柱試件，包括上支架、下支架、支撐卡爪、減振系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)等。通過(guò)合理的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：① 便于安裝油氣管柱試件，支撐系統(tǒng)分為上支架和下支架，并通過(guò)螺栓連接，安裝油氣管柱試件時(shí)打開(kāi)上下支架，安裝試件后再連接上下支架。② 實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)的通用性，支撐架采用無(wú)級(jí)式螺紋調(diào)節(jié)的方式來(lái)滿足不同外徑試件的夾持要求以及軸心的對(duì)中操作。③ 保護(hù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，提高實(shí)驗(yàn)裝置的疲勞壽命，支撐架下安裝兩個(gè)空氣彈簧實(shí)現(xiàn)縱向減振，支撐架兩側(cè)分別采用兩排線性彈簧實(shí)現(xiàn)橫向減振，采用氣墊彈簧和線性彈簧相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)縱向和橫向的減振功能。

圖4　支撐系統(tǒng)

2.4　安全防護(hù)系統(tǒng)

為了貫徹“安全第一，預(yù)防為先”的安全管理準(zhǔn)則[12-14]，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試件斷裂以及偏心質(zhì)量塊損壞對(duì)實(shí)驗(yàn)安全的影響，設(shè)計(jì)安全防護(hù)系統(tǒng)，如圖5所示。試件保護(hù)架主要用于防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試件意外斷裂，斷裂后試件可以被限制在試件保護(hù)架范圍內(nèi)，以免危害實(shí)驗(yàn)人員安全；同理，傳動(dòng)系統(tǒng)部分要帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊高速轉(zhuǎn)動(dòng)，也屬于危險(xiǎn)區(qū)域，設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的安全防護(hù)室，并在安全防護(hù)室側(cè)面設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)貓眼，用于觀察安全防護(hù)室內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

圖5　安全防護(hù)系統(tǒng)

2.5　測(cè)控系統(tǒng)

采用WinCC自主開(kāi)發(fā)一套油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)采集與控制系統(tǒng)，如圖6所示，可以實(shí)時(shí)采集油氣管柱試件應(yīng)變信息，并根據(jù)試件的振動(dòng)信息判別試件的振動(dòng)情況，進(jìn)而確定實(shí)驗(yàn)控制方案。如在啟動(dòng)階段，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集不同激勵(lì)頻率下的試件振動(dòng)信息，識(shí)別振動(dòng)最劇烈時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率值，搜索并確定試件共振頻率；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試件振動(dòng)信息發(fā)生突變時(shí)，試件很有可能出現(xiàn)貫穿裂紋或發(fā)生斷裂失效，此時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷電源，停止實(shí)驗(yàn)。

圖6　測(cè)控系統(tǒng)界面

3　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

根據(jù)油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，加工、組裝、安裝并調(diào)試油氣管柱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取鉆桿作為油氣管柱試件，搭建油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖7所示。其中，鉆桿長(zhǎng)度5 m，外徑88.9 mm，內(nèi)徑70.2 mm，一階固有頻率為10.8 Hz。共振實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油氣管柱試件只有公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無(wú)自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沿試件截面方向的應(yīng)變變化規(guī)律一致，只是截面不同位置處有一定的相位差，且試件模態(tài)振型沿中線對(duì)稱。因此，只需沿1/2段試件軸向布置一定數(shù)量的應(yīng)變片，如圖8所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖8應(yīng)變片分布(m)

為了確定油氣管柱的共振實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，加載頻率從低頻至高頻依次加載，開(kāi)展不同激勵(lì)頻率下的油氣管柱振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量試件的振動(dòng)信息，并計(jì)算不同頻率下的油氣管柱試件的循環(huán)應(yīng)力幅值，如圖9所示。

由圖9可知，隨著油氣管柱試件頻率的增大，試件 的響應(yīng)幅值逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一階模態(tài)共振頻率附近時(shí)試件的響應(yīng)最大，油氣管柱試件發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)共振頻率與計(jì)算一階固有頻率基本一致。在共振實(shí)驗(yàn)頻率下進(jìn)一步提取沿試件長(zhǎng)度方向各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，獲取共振條件下沿長(zhǎng)度方向的試件應(yīng)變，并與試件模態(tài)振型下的相對(duì)應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。沿試件長(zhǎng)度方向中心處的響應(yīng)最大，向兩側(cè)逐漸減小，與模態(tài)振型分析結(jié)果一致。

圖9　不同頻率下的試件循環(huán)應(yīng)力幅值

圖10　沿試件長(zhǎng)度方向的應(yīng)變

通過(guò)開(kāi)展油氣管柱試件共振實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣管柱試件應(yīng)變。如圖11所示，油氣管柱試件應(yīng)變變化規(guī)律呈規(guī)則正弦波形式，通過(guò)對(duì)試件應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理，將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為試件動(dòng)態(tài)循環(huán)應(yīng)力，并通過(guò)疲勞損傷計(jì)算公式可以確定試件的疲勞損傷信息，以達(dá)到疲勞實(shí)驗(yàn)的目的[15]，可表示為：

D=NSm/C

其中：D為疲勞損傷；N為循環(huán)次數(shù)；S為疲勞應(yīng)力；m和C為疲勞S-N曲線中的常數(shù)。

圖11　隔水管動(dòng)態(tài)應(yīng)變

4　結(jié)　語(yǔ)

基于共振原理研制了一套油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由油氣管柱試件、傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)組成，可低能耗并高效地實(shí)現(xiàn)不同尺寸油氣管柱的共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定其疲勞性能，為油氣管柱疲勞性能測(cè)試提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

科研成果反哺教學(xué)是科學(xué)研究的一項(xiàng)本質(zhì)工作，將油氣管柱共振彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于高校石油機(jī)械工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，依托此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生可依次完成油氣管柱試件模態(tài)分析、支撐點(diǎn)設(shè)計(jì)、試件安裝、共振頻率搜索、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與疲勞損傷計(jì)算，可使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)油氣管柱共振現(xiàn)象，并通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)深刻理解油氣管柱疲勞損傷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ鸬椒e極的作用。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]許亮斌, 暢元江, 蔣世全, 等. 深水鉆井隔水管時(shí)域非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析技術(shù)研究[J]. 中國(guó)海上油氣, 2008, 20(2): 115-120.

[2]王嘉松, 蔣世全, 許亮斌. 深水鉆井隔水管渦激振動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究[J]. 石油鉆采工藝, 2015, 37(1): 30-35.

[3]王俊高, 付世曉, 許玉旺, 等. 振蕩來(lái)流下柔性立管渦激振動(dòng)響應(yīng)特性試驗(yàn)研究[J]. 船舶力學(xué), 2016, 20(4): 419-429.

[4]劉秀全, 陳國(guó)明, 暢元江, 等. 基于頻域法的深水鉆井隔水管波激疲勞分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013, 32(11): 7-11.

[5]陳國(guó)明, 劉秀全, 暢元江, 等. 深水鉆井隔水管與井口技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 37(5): 129-139.

[6]劉秀全, 陳國(guó)明, 暢元江, 等. 海洋油氣立管疲勞試驗(yàn)方法[J]. 中國(guó)造船. 2011, 52(s2): 34-39.

[7]侯曉東, 劉宏亮, 雷廣進(jìn), 等. 深水鉆井隔水管共振式疲勞試驗(yàn)研究[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2016, 45(10): 37-43.

[8]Wittenberghe J V, Baets P D, Waele W D,etal. Resonant bending fatigue test setup for pipes with optical displacement measuring system[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2012, 134(3): 1-6.

[9]Bertini L, Beghini M, Santus C,etal. Resonant test rigs for fatigue full scale testing of oil drilling string connections[J]. International Journal of Fatigue, 2008, 30: 978-988.

[10]傅志方, 華宏星. 模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2000.

[11]曹妍妍, 趙登峰. 有限元模態(tài)分析理論及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2007, 140(1): 73-74.

[12]葉秉良, 汪進(jìn)前, 李五一, 等. 高校實(shí)驗(yàn)室安全管理體系構(gòu)建與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(8): 419-422.

[13]李丁, 曹沛, 王萍, 等. 高校實(shí)驗(yàn)室安全管理體系構(gòu)建的探索與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014， 33(3): 274-277.

[14]陳玲. 高校實(shí)驗(yàn)室安全管理面臨的問(wèn)題與對(duì)策[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2017, 36(1): 283-286.

[15]劉秀全, 陳國(guó)明, 暢元江, 等. 深水鉆井隔水管-導(dǎo)管系統(tǒng)波激疲勞分析[J]. 石油學(xué)報(bào), 2013, 34(5): 977-982.