應(yīng)變電測技術(shù)及其在石油機(jī)械中的應(yīng)用

楊 亞

（西安石油大學(xué)，西安 710000）

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應(yīng)變電測技術(shù)及其在石油機(jī)械中的應(yīng)用

楊 亞

（西安石油大學(xué)，西安 710000）

摘 要：隨著石油機(jī)械設(shè)計(jì)不斷發(fā)展，應(yīng)變電測技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中。該技術(shù)中，最為重要的部件就是電阻應(yīng)變計(jì)。電阻應(yīng)變計(jì)具有尺寸小、重量輕以及靈敏度高等諸多優(yōu)勢，在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定性也較強(qiáng)。而石油井的工作環(huán)境十分惡劣，電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度中的不穩(wěn)定性因素又較多，因此在實(shí)際的石油機(jī)械工作中，需要核對設(shè)備的強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全評估。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變電測技術(shù) 石油機(jī)械 應(yīng)用

前言

抽油機(jī)、井架等，都是石油現(xiàn)場鉆井以及采油環(huán)節(jié)中不可缺少的設(shè)備。然而，對這些設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中存在很多制約因素。例如，實(shí)際制造環(huán)節(jié)中所出現(xiàn)的誤差，設(shè)備安裝時(shí)由于環(huán)境因素所導(dǎo)致的腐蝕等。在多種因素的影響下，設(shè)備的受力以及變形中存在著一定的誤差。以應(yīng)力應(yīng)變法來對其進(jìn)行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)誤差降低，而應(yīng)變電測技術(shù)是最為有效的方法之一。

1 應(yīng)變電測技術(shù)概述

金屬材料在受力環(huán)節(jié)中，產(chǎn)生一定的彈性形變。以電阻應(yīng)變計(jì)為傳感器，將金屬結(jié)構(gòu)的彈性形變轉(zhuǎn)換為電阻值的相對變化，然后在放大器的作用下，將電阻值進(jìn)行放大，經(jīng)過檢波轉(zhuǎn)換為另外一種參數(shù)的變化。一般情況下，它將轉(zhuǎn)換為電壓值或者電流值的變化。最后，在數(shù)據(jù)采集儀器中，數(shù)值變換為直觀的應(yīng)力數(shù)據(jù)。以上環(huán)節(jié)是應(yīng)變電側(cè)技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)流程。在實(shí)際的系統(tǒng)測試中，應(yīng)變電測技術(shù)的環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)主要通過以下幾個(gè)步驟：電阻應(yīng)變儀→數(shù)據(jù)信息采集器→電子計(jì)算機(jī)。其中，電阻應(yīng)變計(jì)主要由敏感柵、基底、引出線以及覆蓋層等多個(gè)部位組成。目前，普通應(yīng)變計(jì)的精度較高，在實(shí)際的機(jī)械使用中更加省力，且功能較多，

能夠適應(yīng)多種類型環(huán)境，環(huán)境自適應(yīng)力也比較強(qiáng)[1]。

2 應(yīng)變電測技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用

2.1 井架動(dòng)載系數(shù)確定

井架在石油鉆機(jī)以及修井機(jī)中發(fā)揮著重要作用。通過應(yīng)變電測技術(shù)對井架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，是提升石油機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行中安全系數(shù)的重要途徑。井架需要具有良好的承受能力，才能夠?qū)崿F(xiàn)對石油鉆機(jī)的支撐。因此，需要對井架的實(shí)際受載應(yīng)力、受載變形進(jìn)行綜合測試以及評估，然后對井架在實(shí)際運(yùn)用中的可靠性進(jìn)行確定。對井架進(jìn)行應(yīng)變電測技術(shù)分析，最為主要的目的是測量出井架在不同工作情境下的最大應(yīng)力。最大應(yīng)力主要包括最大靜應(yīng)力和最大動(dòng)應(yīng)力?；谠~，實(shí)際測量環(huán)節(jié)中，也應(yīng)該面向兩個(gè)方面的應(yīng)力測量。首先，最大靜應(yīng)力的測量是應(yīng)變電技術(shù)測量的基礎(chǔ)工作，也是井架的基本系數(shù)測量；而最大動(dòng)應(yīng)力的測量，是在靜態(tài)工作應(yīng)力基礎(chǔ)上，對井架的延伸功能進(jìn)行應(yīng)力測量。二者在形式上相互聯(lián)系，相互促進(jìn)[2]。

在本文中對某石油鉆井公司的井架進(jìn)行實(shí)測。首先，需要對井架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。井架的結(jié)構(gòu)是剛架結(jié)構(gòu)，其中每一處杠桿都能夠承擔(dān)一定的軸力以及扭矩的聯(lián)合作用力。在剛架結(jié)構(gòu)的眾多應(yīng)力中，不用力的合成能夠引起不同的應(yīng)力產(chǎn)生。其中，軸力與彎矩能夠引起正應(yīng)力，扭矩和剪力能夠引起剪應(yīng)力。大量的實(shí)踐分析得出，大量的安全事故都發(fā)生在最大應(yīng)力點(diǎn)處。換言之，最大應(yīng)力點(diǎn)同時(shí)也是井架的危險(xiǎn)點(diǎn)。針對這樣的前提，進(jìn)行井架的應(yīng)力檢測，需要采用正應(yīng)力的測試方式。首先，需要在井架的測點(diǎn)處，沿著井架的立柱方向各自補(bǔ)貼一個(gè)應(yīng)變片，實(shí)現(xiàn)半橋溫度補(bǔ)償。由于危險(xiǎn)點(diǎn)未知，因此在實(shí)際的危險(xiǎn)布片環(huán)節(jié)中，需要對可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)都進(jìn)行布片[3]。

對井架的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析和整理，下面將列舉出前三個(gè)測試點(diǎn)的應(yīng)力值數(shù)據(jù)。在測試點(diǎn)1中，其靜應(yīng)變?yōu)?23.46，動(dòng)應(yīng)變?yōu)?28.08，動(dòng)載系數(shù)為1.20，應(yīng)力為-46.03MPa；在測試點(diǎn)2中，其靜應(yīng)變?yōu)?23.46，動(dòng)應(yīng)變?yōu)?28.08，動(dòng)載系數(shù)為1.20，應(yīng)力為-46.03MPa；在測試點(diǎn)3中，其靜應(yīng)變?yōu)?22.69，動(dòng)應(yīng)變?yōu)?29.23，動(dòng)載系數(shù)為1.29，應(yīng)力為-44.52MPa。將以上數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行綜合分析，判斷出最大應(yīng)力。然后，與精架的標(biāo)準(zhǔn)做對比。如何兩者數(shù)值不能滿足工作需求，則說明井架在石油機(jī)械使用中的危險(xiǎn)系數(shù)比較高。

2.2 雙驢頭抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試

雙驢頭式的抽油機(jī)是在常規(guī)的抽油機(jī)演化下，在游梁式后臂加裝后驢頭。傳統(tǒng)游梁抽油機(jī)之間采用連桿式硬連接，而雙驢頭式的抽油機(jī)以驅(qū)動(dòng)繩的形式取代連桿式的連接。該種方式不僅能夠滿足實(shí)際工作中變力臂的需求，同時(shí)還能夠滿足實(shí)際抽油環(huán)節(jié)中的力度需求。該種方式具有較長的沖程，動(dòng)載比較小，實(shí)際工作中的能耗比較小。但是，由于長時(shí)間的連續(xù)工作，雙驢頭的游梁尾部的連接孔位容易出現(xiàn)裂紋。時(shí)間久了，就會(huì)出現(xiàn)整個(gè)油梁體的報(bào)廢。在大慶油田使用CYJS10-5-48HB型雙驢頭抽油機(jī)中，需要對其現(xiàn)場應(yīng)力進(jìn)行測試。例如，當(dāng)前驢頭的在動(dòng)力測試3分鐘多時(shí)，加載的力為28.8KN，其懸點(diǎn)荷載為13.0KN～37KN，沖程為5m。由于在實(shí)際測量中，其實(shí)際的測點(diǎn)方向不確定。因此，需要選用45°應(yīng)變點(diǎn)[4]。

在實(shí)際應(yīng)力測量環(huán)節(jié)中，需要注重考慮溫度補(bǔ)償所帶來的補(bǔ)償作用。因此，在雙驢頭抽油機(jī)的游梁附近貼1塊材質(zhì)相近或相同的補(bǔ)償鐵，進(jìn)而形成溫度補(bǔ)償片。對游梁的三個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)值實(shí)測：1號點(diǎn)處，其最大正應(yīng)力為7.37MPa，最大剪應(yīng)力為4.39MPa，應(yīng)力幅值為3.47MPa；2號點(diǎn)處，其最大正應(yīng)力為22.46MPa，最大剪應(yīng)力為16.97MPa，應(yīng)力幅值為10.96MPa；3號點(diǎn)處，其最大正應(yīng)力為17.61MPa，最大剪應(yīng)力為13.59MPa，應(yīng)力幅值為9.05MPa。分析以上數(shù)據(jù)，得出游梁連接處最大的應(yīng)力為22.46MPa。此外，根據(jù)物體變形原理進(jìn)行分析，在抽油機(jī)材料允許的前提下，機(jī)械的應(yīng)力隨著外力線性的變化而變化。

2.3 套損井管失效應(yīng)力分析

隨著油田的開發(fā)，套損井的數(shù)量逐年增加。套損井的出現(xiàn)，為油田帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要對套損井中的套管進(jìn)行應(yīng)力分析，防患于未然。首先，根據(jù)地面的應(yīng)變電測實(shí)驗(yàn)分析，對套管損壞的特征進(jìn)行信息提取。施工人員根據(jù)數(shù)據(jù)信息計(jì)算，制定出套管使用計(jì)劃，盡最大可能延長套管的使用壽命。目前，油田中，套管損壞造成了油氣資源的浪費(fèi)，是石油機(jī)械管理中急需解決的問題。

3 結(jié)論

綜上所述，本文對應(yīng)變電測技術(shù)的原理進(jìn)行研究。隨著石油機(jī)械的不斷發(fā)展，應(yīng)變電測技術(shù)以其自身的憂越性，在石油機(jī)械領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著重要的作用。在實(shí)際的應(yīng)變力測量環(huán)節(jié)中，電測的實(shí)際數(shù)據(jù)能夠?yàn)槭蜋C(jī)械發(fā)展帶來數(shù)據(jù)支持。本文中主要對井架動(dòng)載系數(shù)確定、雙驢頭抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試以及套損井管失效應(yīng)力進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)槭蜋C(jī)械發(fā)展帶來幫助。

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Discussion Strain Measuring Technology and Its Application in Petroleum Machinery

YANG Ya
(Xi'an Petroleum University, Xi'an 710000)

Abstract:With the continuous development of petroleum machinery design, strain electric technology is increasingly widely used in experimental stress analysis. In this technique, the most important component is the res istance s train gauges, res istance strain gauges have a s mall s ize, light weight, and s ensitivity of many advantages, i n a complex working environment stronger stability. The oil wells in the working environment is very bad, the structural strength of resistance st rain gauges of more instability factors, therefore, in the actual work in the oil machinery, equipment needs to be checked for strength, to achieve the safety assessment of the device.

Key words:Strain measurement technology, oil machinery, application