吳大飛 朱再思 郭宇 郭偉

（中石油江漢機械研究所有限公司,湖北 荊州 434000）

連續(xù)管作業(yè)機主要用于修井、完井、壓裂、鉆井等領(lǐng)域被稱為“萬能作業(yè)機”,由于其占地面積小、成本低、安裝方便等特點應(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)機上的連續(xù)管倒入到運輸滾筒上,是連續(xù)管施工的關(guān)鍵[3-5]。倒管裝置實現(xiàn)了不同型號連續(xù)管互相之間的快速更換,提高了連續(xù)管作業(yè)效率,減小勞動強度,因此對連續(xù)管倒管裝置的研究具有重要意義。

目前,國內(nèi)關(guān)于連續(xù)管倒管裝置的研究相對較少且結(jié)構(gòu)單一。馬洪鐘等設(shè)計了一種適用于不同中心孔的運輸滾筒的倒管器,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)場應(yīng)用證明該倒管器設(shè)計的可靠性[7]。吳大飛等設(shè)計了一種新型連續(xù)管滾筒排管液壓離合器[8]。王永強等設(shè)計了一種帶遠(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,針對這個問題筆者以連續(xù)管張緊力及滾筒扭矩的研究為理論基礎(chǔ)對倒管裝置的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)強度校核,最后現(xiàn)場推廣應(yīng)用。

1 滾筒扭矩研究

連續(xù)管在實際纏管過程中,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連續(xù)管的使用壽命起著至關(guān)重要的作用,此外對連續(xù)管張緊力及滾筒扭矩的研究也是進行倒管裝置設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

1.1 續(xù)管張緊時拉力和滾筒扭矩關(guān)系模型

連續(xù)管在滾筒上張緊時,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)下的實際變形和受力

通過受力分析可得連續(xù)管剛離開滾筒點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)管進行計算,連續(xù)管纏繞最小直徑為2193.325mm。

以上計算是連續(xù)管處于勻速運動時的受力情況,如果當(dāng)滾筒剛剛啟動,或者加速運動時,滾筒還會有一個加速轉(zhuǎn)動慣量,所以此時的實際扭矩比上述結(jié)果大。在不考慮連續(xù)管的張力的情況下,連續(xù)管滾筒起動時的起動轉(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（9）

由計算得出連續(xù)管和滾筒扭矩的公式。連續(xù)管張緊拉力和滾筒扭矩對鏈傳動和鏈輪尺寸的確定以及倒管裝置的結(jié)構(gòu)強度具有重要意義,因此需要對倒管器的驅(qū)動結(jié)構(gòu)進行設(shè)計以及結(jié)構(gòu)強度進行校核。

2 倒管器驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計

倒管器驅(qū)動結(jié)構(gòu)由液壓馬達、減速器、鏈輪和鏈條組成,它們相互傳遞力矩驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動,完成對連續(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加直角行星減速器和鏈輪的傳動方式驅(qū)動,滿足倒管裝置纏管速度和扭矩的要求[15]。由一臺液壓馬達帶動減速器,通過鏈條驅(qū)動倒管裝置的大鏈輪轉(zhuǎn)動,大鏈輪與輪轂采用法蘭連接,輪轂內(nèi)側(cè)焊有與運輸滾筒連接的支桿,由支桿驅(qū)動運輸滾筒轉(zhuǎn)動[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,液壓馬達帶動鏈輪轉(zhuǎn)動,左軸不轉(zhuǎn)動。這樣設(shè)計的好處是結(jié)構(gòu)簡單,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,液壓馬達帶動鏈輪轉(zhuǎn)動,左軸也轉(zhuǎn)動。這樣設(shè)計的好處是左軸可以更換,適合不同中心孔的運輸滾筒。本設(shè)計采用方案二的結(jié)構(gòu)。

3 倒管裝置主軸強度校核

由運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。軸上扭矩最大點發(fā)生在A 點,

圖2 左軸的尺寸

A 點的扭矩為：

4 現(xiàn)場應(yīng)用

倒管裝置研制成功后,在油田現(xiàn)場進行了大量倒管應(yīng)用（圖3）。利用此倒管裝置將連續(xù)管作業(yè)機滾筒上的4500 米2-3/8″連續(xù)管成功地倒入到鋼制運輸滾筒,并實現(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連續(xù)管和不同型號運輸滾筒之間的盤管要求,排管系統(tǒng)還達到整齊排列連續(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度增大而增大,為實際高度的12%；極限彎矩與實際彎矩相差5%,故在實際工程計算中不考慮純彈性變形。由計算得出連續(xù)管受拉彎變形時的截面內(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倒管器的驅(qū)動結(jié)構(gòu)進行設(shè)計以及結(jié)構(gòu)強度校核,采用輪轂與左軸平鍵配合且軸與鏈輪轉(zhuǎn)動分離的運動方式,并對鏈傳動和鏈輪尺寸以及左軸強度進行計算校核,并對支桿的彎曲強度進行校核,最后現(xiàn)場試驗證明此結(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,增強了倒管裝置的穩(wěn)定性。