带压作业油管扶正装置的设计与研究 带压作业油管扶正装置的设计与研究
程 冲1，倪骁骅1，李呈祥2，刘 青1
（1.江苏大学，江苏 镇江 212000；2.盐城金巨石油机械有限公司，江苏 盐城 224000）
摘要：在带压作业中，起下油管在受到轴向力或偏心载荷的情况下往往会偏离井口中心位置，为此设计了一个新型油管扶正装置。首先对其进行结构设计，然后计算选取了对扶正效果起主要作用的扶正弹簧，最后对油管与扶正滚轮进行接触应力仿真分析，得出油管接触应力的分布情况。所设计的油管扶正装置，解决了带压作业中接箍报警装置的误报情况，增加了带压作业自动化控制的可靠性与准确性。
关键词：带压作业；扶正装置；仿真分析；设计
0 引言
在带压修井作业起、下油管过程中，接箍报警装置是对接箍进行检测的一个重要装置，接箍报警装置的检测准确性是建立在必须把油管控制在井口中心位置的基础上，这是因为当油管受到井中气压所产生的浮力或偏心载荷作用时，由于油管很长，很容易发生屈曲变形，造成油管偏离井口中心位置，可能导致接箍报警装置的接箍滚轮误把油管柱当做接箍到达而产生误报警信号，从而不能准确检测油管接箍到达的具体时间和位置，给防喷器的密封带来巨大的难度，加大了人力物力的消耗，还会造成防喷器密封副胶芯的刮擦和磨损甚至密封副的失效。
1 油管扶正装置的结构设计
经过研究分析，在接箍报警装置下方安装一个新设计的油管扶正装置，来保证油管能在井口中心的位置进行起升，可以有效解决接箍报警装置产生错误信号的问题。下面对此油管扶正装置的结构设计进行具体阐述。
新研制的油管扶正装置主要由驱动油缸、扶正弹簧、扶正滚轮、扶正柱塞组成，如图1所示。3个扶正滚轮分别相隔120°，调整扶正柱塞来顶住油管柱，使得油管柱保持在井口中心位置。当油管接箍通过时，接箍推开滚轮，使接箍顺利通过，当接箍通过后，在扶正弹簧的作用下扶正滚轮回到原位。扶正装置的末端运用3个液压缸驱动，当有外径相对较大的井下工具通过扶正装置时，可以调整驱动液压缸来调节扶正滚轮的位置，避免扶正滚轮和井下工具的磨损。当油管外径不同时，采用带有液压缸控制的定位板来调整油管扶正装置的工作位置，此油管扶正直径范围为75mm～115mm。油管扶正装置局部结构图如图2所示。
2 油管扶正装置弹簧的选取
扶正装置在工作时，扶正弹簧起到至关重要的扶正作用，其结构尺寸、刚度及弹簧力的大小直接影响扶正效果。
图1 油管扶正装置整体结构示意图
1-驱动油缸；2-扶正弹簧；3-扶正柱塞；4-扶正滚轮；5-油管
图2 油管扶正装置局部结构图
1-油管；2-扶正滚轮；3-驱动油缸；4-扶正弹簧；5-扶正柱塞
扶正弹簧的设计如下：
（1）根据扶正弹簧所受的负荷情况，选择普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧，选用Ⅱ类，即受变载荷作用次数在103～105次以上的弹簧。
（2）考虑到井下扶正弹簧相对恶劣的工作环境，弹簧材料选取耐腐蚀、耐磨耗程度较高的1Cr18Ni9Ti。
（3）根据弹簧所受强度及安装尺寸的要求，选取弹簧丝的直径d=10mm，弹簧中径D=60mm。
（4）根据油管受扶正力的大小来确定弹簧的最大工作载荷Pn=4 000N，最小工作载荷P1=2 000N。工作行程h=25mm。
（5）弹簧要求刚度
。
（6）取弹簧单圈刚度pd=601N/mm，则弹簧有效圈数
.512 5，取n=8。
（7）总圈数n1=n+2=10。
（8）取弹簧节距t=18.3mm，则弹簧自由高度H0=nt+1.5d=198mm，取标准值200mm。
（9）最大工作负荷下的变形
50mm。
（10）最小工作负荷下的变形
25mm。
（11）弹簧两端均固定的情况下，细长比
3.3≤5.3，故该弹簧符合螺旋压缩弹簧稳定性判别条件。
3 油管扶正装置扶正滚轮与油管的接触应力分析
利用ANSYS软件对油管和扶正滚轮进行有限元分析，3个扶正滚轮给予固定扶正力，油管在滚轮中间进行下放运动，主要目的是获得油管表面位移变形、应力值的分布图，分析磨损较大的部位，对油管的磨损情况进行评估。
运用SolidWorks软件对油管和扶正滚轮进行实体建模，并保存为后缀x.t的格式导入到ANSYS中，利用ANSYS中的网格划分功能对实体模型进行单元网格划分，采用Solid 45单元类型，共得到75 347个节点、29 159个单元，网格划分模型如图3所示。定义材料的固有属性、单元特性等有限元分析参数如下：油管和扶正滚轮材料均选取合金钢25CrNiMo，材料的弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7 800kg/m3，泊松比μ=0.3。边界条件为：油管作下放运动，3个滚轮固定约束限制油管水平自由度，并添加油管径向扶正力3 000N。
对油管和扶正滚轮进行有限元计算，得到单元与节点的变形和应力云图，如图4所示。
图3 油管和扶正滚轮结构网格划分
图4 油管表面接触有限元分析计算云图
分析结果表明：油管在3个滚轮各施加3 000N的扶正力作用下，最大变形出现在滚轮与油管线接触的表面上，最大值为5.009×10-6m；最大应力值也出现在滚轮与油管线接触的表面附近，最大应力值为0.367MPa。
4 总结
本文主要设计了一种新的油管扶正装置，相比于过去的两个滚轮扶正，增加一个滚轮，使用3个点进行扶正，使得油管能更好地保持在井口中心位置；同时对扶正弹簧进行了计算和选取；最后运用ANSYS软件对油管进行了动力学分析，分析其和扶正滚轮之间的接触应力问题，为以后合理选取滚轮材料来减轻油管磨损提供了理论基础。
Design and Research of Tubing Centralizer in Operation with Pressure
CHENG Chong1，NI Xiao-hua1，LI Cheng-xiang2，LIU Qing1
（1.Jiangsu University，Zhenjiang 212000，China；2.Yancheng Jinju Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Yancheng 224000，China）
Abstract：In the operation with pressure，lifting and releasing the oil tube will make it deviate from the central position of oil well when it tolerate force or eccentric loads，this paper designs a new type of tubing centralizer，mainly concentrates on the structure design，the selection of the righting spring which plays an important role in stabilizing effect，finally carries out the simulation analysis of the contact stress on righting roller and tube，and gets the contact stress distribution of tube.The centralizer designed in this paper solves the problem of the false alarm of collar alarm device，increases the accuracy and reliability of the automatic control in the operation with pressure.
Key words：operation with pressure；centralizing device；simulation analysis；design
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A
文章编号：1672-6413（2016）01-0116-02
收稿日期：2015-03-13；
修订日期：2015-11-03
作者简介：程冲 （1988-），男，江苏淮安人，在读硕士研究生，主要研究方向：机械工程。
带压作业油管扶正装置的设计与研究 带压作业油管扶正装置的设计与研究
程 冲1，倪骁骅1，李呈祥2，刘 青1
（1.江苏大学，江苏 镇江 212000；2.盐城金巨石油机械有限公司，江苏 盐城 224000）
摘要：在带压作业中，起下油管在受到轴向力或偏心载荷的情况下往往会偏离井口中心位置，为此设计了一个新型油管扶正装置。首先对其进行结构设计，然后计算选取了对扶正效果起主要作用的扶正弹簧，最后对油管与扶正滚轮进行接触应力仿真分析，得出油管接触应力的分布情况。所设计的油管扶正装置，解决了带压作业中接箍报警装置的误报情况，增加了带压作业自动化控制的可靠性与准确性。
关键词：带压作业；扶正装置；仿真分析；设计
0 引言
在带压修井作业起、下油管过程中，接箍报警装置是对接箍进行检测的一个重要装置，接箍报警装置的检测准确性是建立在必须把油管控制在井口中心位置的基础上，这是因为当油管受到井中气压所产生的浮力或偏心载荷作用时，由于油管很长，很容易发生屈曲变形，造成油管偏离井口中心位置，可能导致接箍报警装置的接箍滚轮误把油管柱当做接箍到达而产生误报警信号，从而不能准确检测油管接箍到达的具体时间和位置，给防喷器的密封带来巨大的难度，加大了人力物力的消耗，还会造成防喷器密封副胶芯的刮擦和磨损甚至密封副的失效。
1 油管扶正装置的结构设计
经过研究分析，在接箍报警装置下方安装一个新设计的油管扶正装置，来保证油管能在井口中心的位置进行起升，可以有效解决接箍报警装置产生错误信号的问题。下面对此油管扶正装置的结构设计进行具体阐述。
新研制的油管扶正装置主要由驱动油缸、扶正弹簧、扶正滚轮、扶正柱塞组成，如图1所示。3个扶正滚轮分别相隔120°，调整扶正柱塞来顶住油管柱，使得油管柱保持在井口中心位置。当油管接箍通过时，接箍推开滚轮，使接箍顺利通过，当接箍通过后，在扶正弹簧的作用下扶正滚轮回到原位。扶正装置的末端运用3个液压缸驱动，当有外径相对较大的井下工具通过扶正装置时，可以调整驱动液压缸来调节扶正滚轮的位置，避免扶正滚轮和井下工具的磨损。当油管外径不同时，采用带有液压缸控制的定位板来调整油管扶正装置的工作位置，此油管扶正直径范围为75mm～115mm。油管扶正装置局部结构图如图2所示。
2 油管扶正装置弹簧的选取
扶正装置在工作时，扶正弹簧起到至关重要的扶正作用，其结构尺寸、刚度及弹簧力的大小直接影响扶正效果。
图1 油管扶正装置整体结构示意图
1-驱动油缸；2-扶正弹簧；3-扶正柱塞；4-扶正滚轮；5-油管
图2 油管扶正装置局部结构图
1-油管；2-扶正滚轮；3-驱动油缸；4-扶正弹簧；5-扶正柱塞
扶正弹簧的设计如下：
（1）根据扶正弹簧所受的负荷情况，选择普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧，选用Ⅱ类，即受变载荷作用次数在103～105次以上的弹簧。
（2）考虑到井下扶正弹簧相对恶劣的工作环境，弹簧材料选取耐腐蚀、耐磨耗程度较高的1Cr18Ni9Ti。
（3）根据弹簧所受强度及安装尺寸的要求，选取弹簧丝的直径d=10mm，弹簧中径D=60mm。
（4）根据油管受扶正力的大小来确定弹簧的最大工作载荷Pn=4 000N，最小工作载荷P1=2 000N。工作行程h=25mm。
（5）弹簧要求刚度
。
（6）取弹簧单圈刚度pd=601N/mm，则弹簧有效圈数
.512 5，取n=8。
（7）总圈数n1=n+2=10。
（8）取弹簧节距t=18.3mm，则弹簧自由高度H0=nt+1.5d=198mm，取标准值200mm。
（9）最大工作负荷下的变形
50mm。
（10）最小工作负荷下的变形
25mm。
（11）弹簧两端均固定的情况下，细长比
3.3≤5.3，故该弹簧符合螺旋压缩弹簧稳定性判别条件。
3 油管扶正装置扶正滚轮与油管的接触应力分析
利用ANSYS软件对油管和扶正滚轮进行有限元分析，3个扶正滚轮给予固定扶正力，油管在滚轮中间进行下放运动，主要目的是获得油管表面位移变形、应力值的分布图，分析磨损较大的部位，对油管的磨损情况进行评估。
运用SolidWorks软件对油管和扶正滚轮进行实体建模，并保存为后缀x.t的格式导入到ANSYS中，利用ANSYS中的网格划分功能对实体模型进行单元网格划分，采用Solid 45单元类型，共得到75 347个节点、29 159个单元，网格划分模型如图3所示。定义材料的固有属性、单元特性等有限元分析参数如下：油管和扶正滚轮材料均选取合金钢25CrNiMo，材料的弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7 800kg/m3，泊松比μ=0.3。边界条件为：油管作下放运动，3个滚轮固定约束限制油管水平自由度，并添加油管径向扶正力3 000N。
对油管和扶正滚轮进行有限元计算，得到单元与节点的变形和应力云图，如图4所示。
图3 油管和扶正滚轮结构网格划分
图4 油管表面接触有限元分析计算云图
分析结果表明：油管在3个滚轮各施加3 000N的扶正力作用下，最大变形出现在滚轮与油管线接触的表面上，最大值为5.009×10-6m；最大应力值也出现在滚轮与油管线接触的表面附近，最大应力值为0.367MPa。
4 总结
本文主要设计了一种新的油管扶正装置，相比于过去的两个滚轮扶正，增加一个滚轮，使用3个点进行扶正，使得油管能更好地保持在井口中心位置；同时对扶正弹簧进行了计算和选取；最后运用ANSYS软件对油管进行了动力学分析，分析其和扶正滚轮之间的接触应力问题，为以后合理选取滚轮材料来减轻油管磨损提供了理论基础。
Design and Research of Tubing Centralizer in Operation with Pressure
CHENG Chong1，NI Xiao-hua1，LI Cheng-xiang2，LIU Qing1
（1.Jiangsu University，Zhenjiang 212000，China；2.Yancheng Jinju Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Yancheng 224000，China）
Abstract：In the operation with pressure，lifting and releasing the oil tube will make it deviate from the central position of oil well when it tolerate force or eccentric loads，this paper designs a new type of tubing centralizer，mainly concentrates on the structure design，the selection of the righting spring which plays an important role in stabilizing effect，finally carries out the simulation analysis of the contact stress on righting roller and tube，and gets the contact stress distribution of tube.The centralizer designed in this paper solves the problem of the false alarm of collar alarm device，increases the accuracy and reliability of the automatic control in the operation with pressure.
Key words：operation with pressure；centralizing device；simulation analysis；design
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A
文章编号：1672-6413（2016）01-0116-02
收稿日期：2015-03-13；
修订日期：2015-11-03
作者简介：程冲 （1988-），男，江苏淮安人，在读硕士研究生，主要研究方向：机械工程。