大容量连续油管滚筒的研究

□ 杨晓刚 张 伟 □ 张小龙 □ 武卫卫 □ 郭 冬

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 721002 2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司 陕西宝鸡 721002

1 研究背景

自第一台连续油管作业设备问世以来,连续油管技术和连续油管作业机至今已有50多年历史,国内开展连续油管技术与装备的研究、开发也有近30年时间。连续油管技术具有很多优势,几乎应用于勘探开发的各个领域,由此,连续油管作业机被称为万能作业机[1-2]。连续油管滚筒作为连续油管作业机的一个核心设备,在连续油管作业机作业过程中发挥着不可或缺的作用。

连续油管滚筒的主要功能是储存和运输连续油管,目前的研究发展方向有两个,一个是在现有运输条件下增大连续油管滚筒的容量,另一个是在连续油管滚筒容量一定的条件下优化滚筒结构,实现轻量化设计的目标。由于道路运输和车辆行驶等条件的限制,连续油管滚筒的设计有很多困难。目前,连续油管滚筒有的采用整体下沉式结构[3],也有的采用升降式结构[4],这些设计都是从滚筒筒体的外部结构进行考虑的。笔者从滚筒筒体自身结构出发,设计了一种椭圆形滚筒来增大容量。

2 主体结构

以直径50.8 mm、壁厚3.2 mm的连续油管为例,根据标准SY/T 6761—2014 《连续管作业机》和SY/T 6698—2007 《油气井用连续管作业推荐作法》的要求,连续油管滚筒筒体中心半径至少应为连续油管直径的20倍,所以滚筒筒体内径为2 030 mm。传统圆形滚筒和新型椭圆形滚筒主体结构分别如图1、图2所示。

▲图1 圆形滚筒主体结构

▲图2 椭圆形滚筒主体结构

以半挂车为承载工具,根据标准GB/T 23336—2009 《半挂车通用技术条件》要求,滚筒运输时离地距离不小于320 mm。

椭圆形滚筒运输时,长轴保持水平,短轴与地面保持竖直,这样既可以保证滚筒容量,又能够解决滚筒运输高度的限制。

椭圆形滚筒和圆形滚筒运输、工作状态如图3～图5所示。

▲图4 椭圆形滚筒工作状态

▲图5 圆形滚筒运输和工作状态

3 容量

两种连续油管滚筒筒体外形尺寸基本相当,对于直径为50.8 mm的连续油管而言,椭圆形滚筒最大容量为5 800 m,比圆形滚筒大700 m[5]。

4 模态分析

模态分析作为结构振动特性分析、故障诊断和结构参数优化的重要手段,是系统辨别方法在振动领域的重要应用。模态分析主要用于求解结构的各阶模态,包括固有频率、阻尼比及振型,目的是避免结构产生共振。由弹性力学有限元法,可知模态分析的控制方程为:

(1)

若无外力作用,令式(1)中F(t)为0,则得到系统的自由振动方程。在求解自由振动的固有频率和振型时,阻尼的影响不大,因此阻尼项可以忽略,则无阻尼自由振动的运动方程为:

(2)

其对应的特征方程为:

(3)

式中:ωi为系统第i阶模态的固有频率。

这种结构振动可以表达为各阶固有振型的线性组合,其中低阶振型对结构振动的影响较大,对结构的动态特性起主导作用[6]。对结构进行模态分析,一般取前五阶至前十阶固有频率和振型,基本可以满足精度要求[7-9]。

滚筒材料选用Q345钢,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,密度为7 850 kg/m3。选用SOLID187十节点四面体实体单元对滚筒结构进行自由划分网格。

对高速旋转体进行固有频率分析,必须考虑非线性模态分析[10]。由于连续油管滚筒工作旋转转速一般不高于15 r/min,低速旋转工况下可以忽略非线性影响,因此按静态工况求解振动模态完全能够满足设计要求。

圆形滚筒前六阶振型如图6～图11所示,椭圆形滚筒前六阶振型如图12～图17所示,两种滚筒前十阶固有频率、振型和最大振幅见表1,两种滚筒前十阶固有频率和最大振幅对比分别如图18、图19所示。

▲图6 圆形滚筒一阶振型

▲图7 圆形滚筒二阶振型

▲图8 圆形滚筒三阶振型

▲图9 圆形滚筒四阶振型

▲图10 圆形滚筒五阶振型

▲图11 圆形滚筒六阶振型

▲图12 椭圆形滚筒一阶振型

▲图13 椭圆形滚筒二阶振型

▲图14 椭圆形滚筒三阶振型

▲图15 椭圆形滚筒四阶振型

▲图16 椭圆形滚筒五阶振型

▲图17 椭圆形滚筒六阶振型

由表1和图18、图19可以看出,椭圆形滚筒前十阶固有频率为14～30 Hz,最大振幅平均值为2.173 mm;圆形滚筒前十阶固有频率为20～50 Hz,最大振幅平均值为3.072 mm。相比圆形滚筒,椭圆形滚筒前十阶固有频率有所降低。

表1 滚筒前十阶固有频率、振型和最大振幅

▲图18 滚筒前十阶固有频率对比

▲图19 滚筒前十阶最大振幅对比

5 结束语

在两种连续油管滚筒筒体外形尺寸相同的条件下,椭圆形滚筒最大容量比圆形滚筒大。如果选用的连续油管外径小,那么椭圆形滚筒比圆形滚筒在容量方面的优势更加明显,因此采用椭圆形滚筒对于增大滚筒容量而言是一种简单有效的途径。

滚筒驱动力取自承载车动力,柴油发动机的振动频率一般为25～35 Hz。椭圆形滚筒的低阶振动频率范围相比圆形滚筒更为远离柴油发动机的振动频率,这对于滚筒运输和工作状况都是有利的。与圆形滚筒相比,椭圆形滚筒的各阶振型变化不大,最大振幅也较小,可见椭圆形滚筒结构设计是合理的。

在道路运输和车辆行驶条件限制,滚筒容量一定的条件下,采用椭圆形滚筒可以使滚筒总体尺寸更小,结构更加紧凑,且更加方便运输与吊装,这为后续连续油管滚筒的设计提供了一定的理论依据和参考。