悬挂式自动泵抽排液装置受力分析

孙峰，张能

(1.中国石油大学(华东)美术系，山东青岛 266580; 2.中国石油大学(华东)建筑学系，山东青岛 266580)

悬挂式自动泵抽排液装置受力分析

孙峰1，张能2

(1.中国石油大学(华东)美术系，山东青岛 266580; 2.中国石油大学(华东)建筑学系，山东青岛 266580)

悬挂式自动泵抽排液装置是针对探井施工而研发的一项新型装备。本文应用ANSYS对上提作业时悬挂式自动泵抽排液装置进行了静、动力有限元分析。分析结果显示，上提作业过程中，提升钢丝绳轴向应力较大，可以适当提高钢丝绳的尺寸规格，绷绳弹性模量对固定架整体偏移有较大影响，建议选取刚度较高的钢丝绳。

悬挂式自动泵抽排液装置;静动力分析;钢丝绳

0 前言

排液是石油工业探井试油施工中的重要环节，也是试油施工过程中用时最长的工序。目前石油勘探井的试油工程，常用的有抽油机排液、通井机排液和电动绞车排液等三种方法。但这些方法都存在能耗成本高及安全性差等问题，严重影响石油工业的经济效益和排液效果。

新研发的悬挂式自动泵抽排液装置主要包括作业井架、抽汲换向装置。作业井架一端通过井架大绳与地面固定，另一端与挂钩或通井机游动系统连接，挂钩或通井机游动系统悬挂抽汲换向装置。抽汲换向装置设有电机与滚筒，传动皮带搭在滚筒上，一端与井下抽油泵的光杆连接，另一端与沿固定轨道滑动的平衡块相连。悬挂式自动泵抽装置通过固定架和绷绳固定，免除了抽油机的井架，降低了抽油机的成本和抽汲能耗。同时，固定架底部通过插销与地面连接，靠四根绷绳限制其位移。作业时在动载荷作用下固定架绷绳受力较大，固定架的顶部位移也会引起抽汲换向装置及传动皮带的晃动，影响作业过程。因此有必要对悬挂式自动泵抽排液装置的部件进行受力分析。

1 有限元模型

悬挂式自动泵抽排液装置如图1所示。根据装置固定系统的设计图，应用ANSYS软件建立有限元模型，对系统的上提作业过程进行仿真。其材料参数与载荷参数分别见表1、2。计算过程中，假设井架、滚筒及滚筒架的重力都均匀作用在井架、滚筒及滚筒架的各个节点上。上提时12 t钩载、8 t配重以及下放时4 t钩载、8 t配重，根据滚筒上皮带的宽度及滚筒纵向的节点分布，以集中力的形式均匀分配在滚筒与负荷皮带相切的节点上。井架与底座之间为销连接，作业时允许绕Z轴转动，方便井架的起升。在模型中，井架底部约束为X、Y、Z方向的平动和绕X、Y轴的转动，绷绳与地面之间的约束处理成固定支座。悬挂式自动泵抽装置固定系统整体有限元模型如图2所示。

图1 悬挂式自动泵抽排液装置Fig.1Hanging automatic pumping device

表1 材料参数Tab.1Material parameters

表2 固定系统上提时的主要载荷Tab.2Major load while fixed parts upward

图2 悬挂式自动泵抽装置固定系统整体有限元模型Fig.2FEM of hanging automatic pumping fixed device

2 静力分析

上提过程悬挂式自动泵抽装置固定系统的横向偏移如图3所示，井架顶部的横向偏移最大，位移为567.3 mm，主要由于作业载荷作用导致井架整体倾斜。图4为上提过程中绷绳及提升钢丝绳的轴向应力分布图，提升钢丝绳的轴向应力最大，为189 MPa;井架背面绷绳的轴向应力为61.2 MPa;滚筒架绷绳的轴向应力为34.2 MPa。

图3 上提过程系统横向位移图Fig.3Lateral displacement map for system upward

图4 上提过程钢丝绳轴向应力图Fig.4Axial stress distribution of rope upward

3 动力分析

实际作业中，井下光杆及抽油泵所受载荷一般是以突加载荷的形式作用到负荷皮带上。相对于静力分析，突加载荷会引起滚筒及滚筒固定架的晃动，使负荷皮带偏移井口晃动。同时突加载荷也会大大提升井架、绷绳等的峰值应力，从而对结构强度提出更高要求。

因此，在对悬挂式自动泵抽装置进行动力分析时，对与抽油泵光杆连接的负荷皮带施突加载荷，载荷随时间变化如图5所示。其它载荷处理成静载，约束情况与静力分析完全一致。模拟时间为10 s，时间步长为0.01 s。上提过程中，井架顶部的横向位移响应如图6所示。由于突加载荷，井架顶部偏移峰值为992 mm，经历8 s之后井架顶部偏移趋于稳定，稳定的偏移值与静力分析一致，动力分析井架顶部偏移峰值较静态分析提高了约80%。

图5 上提过程载荷随时间变化图Fig.5Load V.S.time when system upward

图6 井架顶部偏移时间历程Fig.6Journey of derrick top deviates time

井架顶部的四根绷绳中，背面2根绷绳的轴向应力最大，轴向应力时间历程如图7所示，轴向应力峰值为69.7 MPa。支撑滚筒架架顶的八根绷绳中，滚筒架右侧下方2根绷绳的轴向应力最大，轴向应力时间历程如图8所示，轴向应力峰值为52.4 MPa。上提过程中提升钢丝绳的轴向应力时间历程如图9所示，轴向应力峰值为250 MPa。

图7 滚筒固定架顶部绷绳轴向应力时间历程Fig.7Axis stress V.S.time journey of roller fixing top frame rope

图8 滚筒固定架绷绳轴向应力时间历程Fig.8Axis stress V.S.time journey of roller fixing frame rope

图9 提升钢丝绳轴向应力时间历程Fig.9Axis stress V.S.time journey of lifting rope

4 绷绳刚度对分析结果的影响

由于绷绳的刚度范围较大，其弹性模量范围约为4～18 GPa。以上分析过程中绷绳的弹性模量取为4 GPa。为研究绷绳刚度对分析结果的影响，在绷绳截面尺寸不变情况下，取绷绳弹性模量为18 GPa进行了分析，结果对比见表3、4。

表3 静载上提时绷绳刚度对系统最大等效应力和井架顶部横向偏移的影响Tab.3The guy rope stiffness affects on maximum equivalent stress and derrick top deviates of dead load lifting

表4 动载上提时绷绳刚度对系统最大等效应力和井架顶部横向偏移的影响Tab.4The guy rope stiffness affects on maximum equivalent stress and derrick top deviates of live load lifting

对比发现，绷绳刚度对悬挂式自动泵抽排液装置的静动态分析结果影响较大。绷绳刚度越高，静、动力分析中井架偏移幅值降低幅度越大，同时提升钢丝绳的轴向应力峰值也有所下降。建议采用刚度较大、规格更高的绷绳。

5 结束语

通过对上提作业时悬挂式自动泵抽排液装置进行了有限元静、动力分析，计算了井架顶部偏移，提升钢丝绳、井架及滚筒固定架绷绳的应力，得出如下结论:

(1)上提过程中，由于提升钢丝绳轴向应力较大，可以适当提高钢丝绳的尺寸规格;

(2)绷绳弹性模量对固定架整体偏移有较大影响，建议选取高刚度、高规格的绷绳;

(3)作业时缓慢加载，尽量降低作业载荷的动载效果;

(4)在参数设计合理的情况下，悬挂式自动泵抽装置固定系统能够有效满足预定设计目标。

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Mechanical analysis of hanging automatic pumping device

SUN Feng1，ZHANG Neng2
(1.Department of Arts Design China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Department of Architecture，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

Hanging automatic pump device is a new equipment designed for the construction of wildcat.In this paper，ANSYS is applied to analyze the static and dynamic process of hanging automatic pump device during operation.The results show that during the lift operation，the axial stress of the hoisting rope is relatively larger and a wire rope with higher dimension is needed.The elastic modulus of guy wire has a greater influence on the lateral displacement offset of the fixation，and a guy wire with a higher stiffness is recommended.

hanging automatic pump device;static and dynamic analysis;rope

TE935

A

1001-196X(2014)06-0040-04

2014-04-02;

2014-07-02

中央高校基本科研业务费专项资金(12CX04017B，13CX02090A)

孙峰(1978-)，男，中国石油大学讲师，主要研究方向:石油机械产品设计研发，海洋平台人机关系方面研究。