王磊

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

懸臂梁式彈性爪是完井滑套和封隔器中最重要的工作部件[1-2]，完井滑套中主要為鎖定彈性爪機構(gòu)，封隔器中主要為解封彈性爪機構(gòu)。在礫石充填作業(yè)中，充填滑套的鎖定彈性爪機構(gòu)發(fā)生失效，將導(dǎo)致滑套打開、關(guān)閉失敗，無法建立正常循環(huán)通道，直接造成充填礫石失敗，甚至導(dǎo)致工具砂卡等大修井事故。封隔器的解封彈性爪失效，則直接導(dǎo)致封隔器無法順利解封回收。因此，在完井作業(yè)中，彈性爪的工作可靠性是安全生產(chǎn)的重要影響因素之一。彈性爪機構(gòu)的主要失效形式為彈性爪發(fā)生塑性變形。為了準(zhǔn)確掌握彈性爪在實際工作狀態(tài)下的軸向最大拉力，以及增加彈性爪動作的有效使用次數(shù)，最終保證滑套和封隔器的工作可靠性，本文基于有限元數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和工具試制后的功能試驗，優(yōu)化彈性爪結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，固化彈性爪生產(chǎn)制造工藝，并為后續(xù)提高彈性爪工作的可靠性提供理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。

1 懸臂梁式彈性爪結(jié)構(gòu)原理

懸臂梁式彈性爪在現(xiàn)有完井系列工具中十分常見[3-4]，它主要包括彈性爪和限位套兩大部分，如圖1和圖2所示。該部件的特點有結(jié)構(gòu)簡單、工作有效，其徑向變形與軸向拉力載荷互換值精度較低，彈性爪機構(gòu)有效動作次數(shù)有限?；谕昃郎肮ぞ咝枨蟮奶厥庑?，彈性爪機構(gòu)需要滿足常用的負荷顯示、形變限位或形變釋放等功能。

圖1 滑套彈性爪

圖2 封隔器彈性爪

2 滑套彈性爪的有限元分析與測試

有限元分析前處理：選用152.4 mm（6"）充填滑套為研究對象，設(shè)定滑套打開和關(guān)閉到位的軸向鎖緊力為1.2×104～1.7×104N，滑套中的鎖定爪與鎖環(huán)分別對應(yīng)彈性爪與限位套[5]。彈性爪與限位套材質(zhì)均選擇40CrMnMo，材料的彈性模量為2.06×109Pa，泊松比為0.3，屈服強度為790 MPa。設(shè)定彈性爪與鎖環(huán)之間為摩擦接觸，且摩擦系數(shù)為0.1，設(shè)定鎖環(huán)端部為固定約束，彈性爪相對限位套的軸向位移為3 mm；劃分網(wǎng)格時，彈性爪采用四面體實體網(wǎng)格，單元個數(shù)為101 024，限位套采用四面體實體網(wǎng)格，單元個數(shù)為11 668。

有限元分析后處理：根據(jù)前處理設(shè)置結(jié)果，得到彈性爪和限位套的等效應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示，提取彈性爪在軸向運動過程中的軸向拉力載荷曲線如圖4所示。

圖3 鎖定爪和鎖環(huán)的等效應(yīng)力分布

圖4 鎖定力載荷曲線

根據(jù)理論計算結(jié)果得到滑套打開和關(guān)閉到位的軸向最大鎖緊力為1.69×104N，滿足設(shè)計要求；且滑套彈性爪在運動過程中最大應(yīng)力發(fā)生在彈性爪根部，且局部應(yīng)力638.47 MPa小于材料的屈服強度，滿足設(shè)計要求[6]。

功能試驗：按設(shè)計要求對已加工完成的152.4 mm（6"）充填滑套進行功能試驗，試驗?zāi)康臑闇y試充填滑套最大鎖緊力，即軸向拉力載荷，其理論計算值為16 908N。采集并整理152.4 mm（6"）充填滑套打開或關(guān)閉的最大鎖緊力試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 鎖緊力測試數(shù)據(jù)

由表1中數(shù)據(jù)可知，充填滑套的試驗測試最大鎖緊力偏大于理論計算值，且充填滑套的彈性爪有出現(xiàn)微屈服變形的現(xiàn)象，所以在設(shè)計彈性爪機構(gòu)時需要提高設(shè)計所選的安全系數(shù)，以及在有限元分析過程中提取彈性爪機構(gòu)的軸向拉力載荷時需考慮適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)1.1~1.4倍。

3 封隔器彈性爪的有限元分析與測試

有限元分析前處理：封隔器解鎖回收時，彈性爪依靠下錐體接觸擠壓其收縮以滿足回收需要，彈性爪與下錐體分別對應(yīng)彈性爪與限位套[7]。彈性爪和限位套材料均為4145H，彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，屈服強度658 MPa。建立彈性爪與限位套的三維有限元分析模型，簡化分析彈性爪為單片結(jié)構(gòu)進行模擬分析，彈性爪和限位套均采用實體單元。彈性爪與限位套之間建立面面接觸，摩擦系數(shù)為0.1。限位套設(shè)置為固定約束，彈性爪設(shè)定軸向位移使其通過限位套，網(wǎng)格劃分為四邊形單元。模擬實際工作狀態(tài)[8]，首先分析彈性爪通過限位套的整個過程中，其彈性爪受到限位套施加的軸向載荷曲線，如圖5所示，然后觀察彈性爪承受最大載荷工況位置的應(yīng)力強度，如圖6所示。

圖5 彈性爪運動變形的軸向載荷曲線

圖6 彈性爪最大工作載荷下的應(yīng)力分布

有限元分析后處理：由圖5和圖6可知，單片彈性爪通過限位套的運動變形過程中的最大軸向載荷為1 485.3 N，共12片爪子的軸向累計載荷為17 823.6 N，其最大應(yīng)力發(fā)生在彈性爪根部，且局部應(yīng)力639.4 MPa，小于材料的屈服強度。因此，彈性爪滿足可收縮和強度的回收需要[9]。

功能試驗：對加工成型的封隔器進行坐封、驗封、拉壓和解封回收功能測試，采集回收彈性爪的最大軸向載荷為19.5 kN，相比理論值偏差為8.6%，低于許用安全系數(shù)10%，且彈性爪經(jīng)多次測試后尺寸未見變形，故其強度和釋放變形載荷均滿足設(shè)計要求[10]。

4 彈性爪生產(chǎn)制造工藝分析

為了保證彈性爪的工作穩(wěn)定性，綜合彈性爪的生產(chǎn)制造經(jīng)驗，在材料選型、調(diào)質(zhì)處理、機械加工和表面處理的整個過程進行了經(jīng)驗總結(jié)。

材料選型方面：優(yōu)選65Mn、60Si2MnA和718等彈簧鋼材質(zhì)，推薦熱處理硬度42~47 HRC，較高的強度可避免彈性爪發(fā)生屈服變形。

機械加工方面：提出了精銑（留尾）+調(diào)質(zhì)（時效）+線切割（低應(yīng)力）的精密化組合加工工藝，建議彈性爪切槽時采用線切割不會造成較大加工應(yīng)力的機加工藝，如圖7所示，最后精加工成型后需對彈性爪進行時效處理，進而避免加工應(yīng)力對工具的影響。

圖7 彈性爪加工切槽

通過上述經(jīng)驗解決了彈性件成型精度低和負載變化大的普遍問題，提高了其撓度與負載力的精準(zhǔn)度，保證了彈性爪工作變形的可靠性和穩(wěn)定性。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

通過上述研究生產(chǎn)的充填滑套和封隔器累計在海上油田應(yīng)用500余套，未出現(xiàn)滑套誤打開和關(guān)閉問題，封隔器作業(yè)和回收成功率100%。該項研究指導(dǎo)了完井工具在自主化過程中使用懸臂梁式彈性爪的穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)了懸臂梁式彈性爪生產(chǎn)制造工藝過程的固化推廣，為完井工具系列化、規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了經(jīng)驗基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

1）對比有限元分析和試驗結(jié)果，滑套彈性爪的實際鎖緊力約高于理論計算的1.1~1.4倍，動作4次后基本趨于穩(wěn)定；封隔器彈性爪的實際軸向載荷約高于理論計算的8.6%。

2）根據(jù)有限元分析結(jié)果和實驗結(jié)果可知，在彈性爪與限位套接觸的肩部棱邊處存在應(yīng)力集中較大的現(xiàn)象。因此，彈性爪設(shè)計時可適當(dāng)忽略棱邊上應(yīng)力奇異值，同時設(shè)計中可提高該處的安全系數(shù)，以實現(xiàn)彈性爪機構(gòu)的工作可靠性。

3）為了提高彈性爪機構(gòu)在鉆完井工具中的廣泛適用性和工作可靠性，可復(fù)制本研究過程，對其他結(jié)構(gòu)形式的彈性爪進行拓展研究，進一步修正相關(guān)系數(shù)和固化彈性爪結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計制造，對提高井下工具作業(yè)安全有參考意義。