连续油管注入头管_块配合研究

表1 连续油管( 38． 10 mm) 和摩擦块不同组合下计算值
Tab． 1 The calculated data of various combination of friction blocks holding CT( 38 ． 10 mm) 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 摩擦块接触内径 / mm 37． 80 37． 85 37． 90 37． 95 37． 98 38． 00 38． 03 38． 05 38． 08 38． 10 38． 12 38． 14 38． 16 38． 18 38． 20 38． 25 38． 30 38． 35 连续油管最大应力 / MPa 548． 055 526． 947 452． 683 384． 723 355． 302 344． 992 333． 205 328． 467 312． 216 317． 089 306． 274 294． 945 309． 903 326． 433 326． 631 348． 713 400． 000 420． 811
从表 2 可知， 当 连续 油管 与 摩擦 块 之间 为 小 过
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盈配 合 时 ， 可获得较大等效接触 正压 力， 且随着过盈 ， ， 量减小 等效接触正压力逐渐减 小 当两者 之间 为过 渡配合时等效 接 触 正压 力 趋 于 稳 定， 说 明 适 当过 盈 配合可以提高摩擦块的夹持可靠性。
第1 期
蒋发光， 等:
连续油管注入头管 － 块配合研究
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模型选取 连续 油管 外径 38． 10 mm， 壁 厚 3． 20 mm; 取一块摩擦块， N = 35 600 N， 夹紧力取 夹 暂不考 。 虑内压与轴向力 采用不同摩擦 块 接 触 孔 内 径 进行 研究， 建立多个 连续 油管 与 摩擦 块 有 限 元 分 析 模 型 组合。图 5 为所 建 立的 有 限 元 分 析 平 面 模 型， 如图 所示 ， 摩擦块与连续油管左侧面施加 X 约束， 连续 油 管下 侧 面 施 加 Y 约束; 摩擦 块 内 圆 环 面 与 连续 油管 外表面建立面 － 面接触以建立摩擦 块 与 连续 油管 间 的接触工况来 约束 摩擦 块 Y 方 向。 接 触 面 中， 目标 面为摩擦块内圆弧面， 单元采用 Target169 ， 接触面为 连续油管 外 表面， 单 元 采用 Contac172 ， 两 接 触 面间 摩擦因素取 0． 15 ， 材料属性设置与图 2 所示模型设 置相同。 图 6 是 摩擦 块 接 触 内 径 为 38． 00 mm 时 连 续油管与摩擦块接触有限元分析结果。
图3
Fig． 3
摩擦块直径为 38． 00 mm 时分析 VON Mises 云图
The Von Mises Contour of 38 ． 00 mm friction block FEA
图2
Fig． 2
连续油管 － 摩擦块载荷与边界有限元模型
根据表 1 计算结 果， 在 给定 条 件 下 连续 油管最 大应力随摩擦 块 夹持 直径 的 变化 趋 势 如 图 4 所 示， 最大应力呈现出 逐渐 减 小 后 又 逐渐 变 大 趋 势， 即当 ( 38． 10 mm 连续油管 与 摩擦 块 直径 基 本相 同 时 左 右) ， 连续 油管最大 应 力值 最 小。 从表 1 与 图 4 可 知， 当摩擦块内径为 37． 95 ～ 38． 30 mm 时( 对应最大 等效应力为 400． 479 MPa 以下) ， 摩擦块 与 连续 油管 之间有较为合理的应力值。
n
( )
N 效 = r∑
j =1
σ rj + σ rj －1 Δ θ j( j － 1 ) 2
( 3)
式中 n— 夹持圆弧节点总数; j— 节点取值， 3， ……， n; 其取值为 2 ，
图5
Fig． 5
连续油管 － 摩擦块正压力研究模型
The positive pressure research model of CT- friction block
σ rj — 节点 j 的径向力， 本处负值有效( 压应力) ， MPa; σ rj －1 — 节点 j － 1 的径向力， 本处负值有效( 压应 MPa; 力) ， Δ θ j( j － 1 ) — 节 点 j 与 节 点 j － 1 与 连 心 线 的 夹 角 ， 弧 度。 采用此方法 并 借 助 有 限 元 分 析 结 果， 对微段压 力为负值 ( 压 应 力 ) 的部分 累 加 并 处 理 后得到 等 效 压力， 如表 2 所示。
1 管作业设备中摩擦块与连续油管之间的接触工况入手， 以 1 /2 英寸连续油管设备 注入 头 为 对 象， 研究 管 － 块 接 触 时 的
受力状态， 借助有限元分析软件， 建立有限元分析模型并进行模型的参数 化 设 计， 通过 对 不 同 组合 的管 － 块 配 合 模 型 进行分析， 求得连续油管 － 摩擦块之间的最优配合。 关键词: 连续油管; 注入头; 摩擦块; 管 － 块配合; 有限元
数字出版日期:
作者简介: 蒋发光( 1976 － ) ， 男( 汉族) ， 四川大英人， 讲师， 博士研究生， 主要从事石油天然气装备设备分析工作。
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0． 15 ， 摩擦 块 材 料 属 性: 泊 松 比 ε = 0． 29 ， 拉伸强度 = 540 MPa ， = 380 MPa ; σb 疲劳强度 σ a 连续油管材料 属性为泊松比 ε = 0． 29 ， 拉 伸 强 度 σ b = 780 MPa， 疲 劳强度 σ a = 560 MPa。
( cos( θ) cos ( π － θ ) 2
)
Y 及剪切方向 σx ， σy ， τ xy — 摩擦块 内 接 触 面 X 、 MPa; 上应力， 通过有限元计算求得， N 效 — 等效夹持力， N; σ r — 径向应力， 当径向接触力为负( 压应力) 时 MPa; 有效， x ; θ— 计算点的角度， 弧度， θ = arctan y r— 夹持圆弧有效半径， mm。 微段之间采用 线 性 积 分 来 处 理， 从而得到 等 效 正压力 N 效 的计算公式
图4
不同摩擦块夹持连续油管( 38． 10 mm) 的最大应力
Fig． 4 The max- stress trend of CT in different diameter of friction block
3
管 － 块夹持等效正压力的计算
连续油管与摩擦块之间的摩擦 力 一 方 面取 决于 摩擦副间的摩擦因素， 还取决于 摩擦 副 间 的 正压 力。 在摩擦因素不 变 的 情况 下， 连续 油管 与 摩擦 块 之间 的正压力越大， 能够提供的摩擦 力 越 大， 夹持 时 发 生 相对滑动可能 性 越 小。 本 处 讨 论 相 同 夹持 力、 不同 配合情况下摩擦 块 与 连续 油管 之间 的 等 效 正压 力， 为连续油管与摩擦块的配合选择提供参考。
*
1． 西南石油大学机电工程学院， 四川 成都 610500 ; 2． 中国石化胜利油田采油工艺研究院， 山东 东营 257015
摘
要: 连续油管注入头是连续管作业设备中操控连续油 管 下 入 和 上 提的重要装 置， 连续 油 管 和 摩 擦 块 配 合直接影
响连续油管的工作性能与寿命， 也决定着两者 之 间 的 夹 持 可 靠 性， 直接影响 到 连续 油 管 作 业 设 备的 安 全。 从 连续 油
序号 1
图6
摩擦块接触内径为 38． 00 mm 时有限元分析结果
Fig． 6 The FEA result of friction block ( contacting diameter is 38． 00 mm)公式为 F f = μN 夹 。 如果已知摩擦 力， 且摩擦因素 恒 定， 则 可通
图1
Fig． 1
连续油管 － 摩擦块夹持油管模型图
The model of friction block holding CT
由于夹持部分为对 称 结 构， 分 析 时 取其 1 /4 ， 建 立连续 油管 － 摩擦 块 的 有 限 元 分 析 模 型 如 图 2 所 示。对有 限 元 模 型 施 加 轴 向 载 荷 80 000 N， 内 压 10 MPa， 夹持力 35 600 N; 并 建 立 约束 为 左 侧 面 施 加 Z 向约束、 面向纸面平面为 X 约束、 连续油管下平面 加 Y 约束; 摩擦 块 内 圆 环 面 与 连续 油管 外 表面 建 立 面 － 面接触以建立摩擦块与连续油管 间 的 接 触 工 况 来 约束摩擦块 Y 方 向。 接 触 面 中， 目 标 面 为 摩擦 块 内 圆弧面， 单元采用 Target170 ， 接触面为连续油管外表 面， 单 元 采 用 Contac173 ， 两接触面间摩擦因素取
文章编号: 1674 － 5086 ( 2011 ) 01 － 0161 － 04 中图分类号: TE931
DOI: 10． 3863 / j． issn． 1674 － 5086． 2011． 01． 030 文献标识码: A
连续 油管 注 入头 管 － 块配 合研究
1 1 1 2 2 蒋发光 ， 梁政， 张梁， 孙保全 ， 申强
表2 摩擦块接触圆弧不同取值时等效压力计算结果
Tab． 2 The equivalent pressure result of different friction block contacting arc 摩擦块接触圆弧直径 / mm 37． 95 38． 00 38． 25 38． 30 等效接触压力 / N － 43 939． 9 － 35 042． 9 － 32 797． 6 － 32 678． 4