一種新型撓性短節(jié)的設計及其數(shù)值優(yōu)化分析

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(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

·開發(fā)設計·

一種新型撓性短節(jié)的設計及其數(shù)值優(yōu)化分析

熊長華，熊長偉

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

隨著水平井、大斜度井和其他非規(guī)則井的日益增多，測井儀器串連接后如果不能彎曲或者彎曲不靈活，會使儀器串在井中運行困難甚至發(fā)生卡滯遇阻。針對此問題，研制出一種新型的撓性短節(jié)，儀器長度更短，撓性角度更大，機械強度安全可靠，確保測井作業(yè)順利完成。

非規(guī)則井；撓性短節(jié)；結(jié)構(gòu)設計；優(yōu)化分析

0 引 言

隨著鉆井工藝的日益復雜，石油測井難度也不斷加大。測井作業(yè)時為了提高測井效率，盡可能多取得測井資料，要求測井儀器成串進行測量，儀器連接后總長能達到五六十米。在復雜井況中，如果儀器串不能夠彎曲或者彎曲不靈活，就會使得儀器串在井中運行困難甚至發(fā)生卡滯遇阻，導致嚴重影響測井作業(yè)甚至發(fā)生測井事故[1]。研制的新型撓性短節(jié)在中原油田、吉林油田、揚州測井站等實際測井作業(yè)后，證明了其性能可靠，可有效地防止測井儀器串在復雜井況中運行困難甚至發(fā)生卡滯遇阻，確保測井儀器串在井中的彎曲測量。

1 設計介紹

1.1 總體結(jié)構(gòu)

撓性短節(jié)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上接頭、下鋼筒、撓性節(jié)組件、承壓密封塞、連接器及上、下蓋帽等組成，內(nèi)部注入耐高溫絕緣硅油，通過兩端的連接器導線連接后傳輸上下儀器的信號，儀器的主體材料采用高強度耐蝕鋼，中間的撓性節(jié)組件可以任意角度自由活動而不脫離。儀器主體外觀如圖2所示[2]。

1.2 儀器的性能指標

1)外徑：Φ73 mm

2)最高工作溫度：175℃、4 h

3)最高工作壓力：140 MPa

4)儀器組合長度：min1 084 mm，max1 112 mm

1.3 關(guān)鍵件的設計方法及加工工藝

撓性短節(jié)的核心是撓性節(jié)的設計，撓性節(jié)不但要滿足抗拉斷力20 t，而且撓性節(jié)轉(zhuǎn)角要大于18°才能保證連接到儀器串中的儀器的合理安全彎曲，同時撓性節(jié)中每一塊撓性零件要獨立存在，且不能脫落出儀器主體。

圖1 總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成

圖2 儀器主體外觀

在設計的時候，要考慮設計的撓性節(jié)在滿足技術(shù)要求的前提下，儀器長度盡量短，儀器撓性角度盡可能大，細分到每一節(jié)撓性節(jié)的彎曲角度在能滿足儀器強度的前提下，彎曲角度最大化，撓性節(jié)長度最小化。撓度的最大化如圖3所示，可通過proe部件干涉分析，三維建模設計后進行撓度的測量。撓性節(jié)長度的最小化根據(jù)所需的撓度疊加撓性節(jié)的數(shù)量即可，如圖4所示。單體撓性節(jié)的長度和撓度是儀器實現(xiàn)撓度功能的關(guān)鍵。在滿足儀器技術(shù)指標的同時，對撓性節(jié)組件殼體的切縫進行倒角，以防夾手傷人，如圖5所示。

圖3 撓性節(jié)干涉分析后角度的測量

圖4 撓性節(jié)長度的疊加

圖5 切縫倒角

新型撓性節(jié)由于外徑較小，為了滿足儀器的強度，選用了高強度耐蝕鋼05Cr17Ni4Cu4Nb，通過本文第二部分的強度計算，此材料完全滿足強度要求。

撓性節(jié)撓度的設計(參照圖4所示)是采用線切割加工工藝，把一個整體的鋼管加工成每一節(jié)分體的撓性小節(jié)，使其兩兩之間有一定的間隙，且不脫落出零件的主體。撓性小節(jié)的間隙大小可以確定撓度大小，間隙越大，撓度也就越大。此新型撓性節(jié)的割縫設計為1 mm，經(jīng)過線切割后的零件，兩兩之間的撓性小節(jié)最大間隙為2 mm，撓度為2.84°。經(jīng)過疊加計算，經(jīng)過7次撓度疊加可使儀器撓度到達19.8°。同時為了減小儀器受拉力時的應力集中，在撓性小節(jié)的接觸端部設計成圓角R5，撓性小節(jié)的寬度設計為25 mm，在滿足強度的同時，使其寬度最小化，以減少儀器的長度。

2 針對關(guān)鍵件的參數(shù)計算及其優(yōu)化分析

撓性節(jié)材料為0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼，其材料的屈服強度及拉伸和剪切的許用應力指標為：屈服強度=920 MPa；[σ]=767 MPa；[τ]=460 MPa[3]。

2.1 撓性節(jié)拉伸強度計算

撓性節(jié)在受拉力的情況下，可分為兩個受力薄弱部位。

根據(jù)圖6的零件仿真模型測量：

受力面積S=575.424 mm2

拉伸應力σ=200 000 N/575.424 mm2=347.6 MPa <[σ]

圖6 受拉力薄弱部位一

根據(jù)圖7的零件仿真模型測量：

受力面積S=182.036×8 mm2=1 456.3 mm2

拉伸應力σ=200 000 N/1 456.3 mm2=137.3 MPa <[τ]

圖7 受拉力薄弱部位二

撓性節(jié)強度滿足要求。

2.2 撓性節(jié)幾何模型的網(wǎng)格劃分及參數(shù)優(yōu)化分析

2.2.1 不帶圓角的簡化模型

劃分網(wǎng)格以中間臂進行局部細分，棱邊單邊節(jié)點數(shù)目為10個，節(jié)點距離1 mm；

采用四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)472個，加力50 000 N，局部最大應力大約500 MPa(如圖8所示)，最大軸向位移0.326 7 mm(如圖9所示)。

圖8 不帶圓角的應力分析

圖9 軸向位移云圖

因此，對比以上所得的分析結(jié)果，沒有圓角的撓性零件應力集中在垂直尖角部位，在受力過大的時候，易出現(xiàn)尖角處的撕裂現(xiàn)象，對儀器容易造成安全隱患。

2.2.2 帶圓角的簡化模型

劃分網(wǎng)格以中間臂進行局部細分，棱邊單邊節(jié)點數(shù)目為5個，節(jié)點距離0.5 mm；

采用四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)1 196個，加力50 000 N，局部最大應力大約510 MPa(如圖10所示),最大軸向位移0.124 1 mm(如圖11所示)。

圖10 帶圓角的應力分析

圖11 軸向位移云圖

因此，在網(wǎng)格劃分更為細膩的時候，所得的分析結(jié)果帶有圓角的撓性零件應力集中在零件的圓角部位，在受力過大的時候，能夠較好地分散應力集中現(xiàn)象，讓儀器更加安全可靠。由此可以得出，撓性小節(jié)在設計端部的時候圓角必須要考慮到，如果沒有圓角，儀器在受到過大的拉力時，很容易將撓性節(jié)拉壞，甚至脫落出儀器的主體。

2.3 撓性小節(jié)中圓角與寬度的設計驗證及對應力的靈敏度分析

撓性小節(jié)中的寬度和圓角的大小是應力靈敏度的兩個重要參數(shù)，如圖12所示。同時也是決定儀器有效長度是否能夠最小化，儀器強度是否最佳的重要設計參數(shù)。

圖12 撓性小節(jié)零件部位示意圖

2.3.1 外圓角的大小影響應力的靈敏度分析

分析圓角大小的范圍從2～8 mm，如圖13所示?？梢钥闯觯S著圓角的增大(2

圖13 圓角對應力的靈敏度分析

2.3.2 撓性節(jié)寬度的大小影響應力的靈敏度分析

分析寬度大小的范圍從15～50 mm，如圖14所示。可以看出，隨著寬度的增大應力變化范圍是859 MPa到845 MPa，寬度的大小對應力的影響較小。在保證儀器性能的前提下，寬度可以盡量地縮短，減少不必要的儀器長度。根據(jù)此分析，撓性小節(jié)寬度設計為25 mm。

圖14 寬度對應力的靈敏度分析

3 結(jié) 論

新研制的撓性短節(jié)組合長度短，撓性角度大，彎曲靈活，從2013年至今，在全國多個油田復雜井中保證了測井作業(yè)安全順利實施，有效地解決了測井作業(yè)時儀器串彎曲不靈活導致儀器串在井中運行困難甚至發(fā)生卡滯遇阻的問題。該儀器在中原油田、大港油田、吉林油田、川慶油田等多地區(qū)的復雜井中使用效果良好，并得到用戶充分認可。

[1] 尹國平,劉 恒，鄒岳元，等.生產(chǎn)測井陣列成像儀在水平井的應用[J].石油管材與儀器，2016，2(6)：59-62.

[2] 中國電子科技集團公司第二十二研究所.SDZ-7150撓性短節(jié)使用維修手冊[Z] .2012.

[3] 中國電子科技集團公司第二十二研究所.SDZ-8150撓性短節(jié)使用維修手冊[Z] .2010.

[4] 葛玖浩，李 偉，陳國明，等.2000m超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)強度分析[J].石油機械，2015，43(2)：60-64.

[5] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2004： 255-281.

DesignandNumericalOptimizationAnalysisofaNewFlexibleCouplingSub

XIONGChanghua,XIONGChangwei

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

With the increasing of horizontal wells, high-inclination wells and other irregular oil wells, the logging tool string is likely stuck in the oil well if the string can not be bent or not be flexible enough. In order to solve this problem, a new flexible coupling sub with shorter length, stronger flexibility and higher strength has been designed. The new short flexible connecting device can ensure the logging operation be finished successfully.

irregular oil wells; flexible coupling sub; structure design; optimization analysis

熊長華，男，1981年生，工程師，2005年畢業(yè)于河南理工大學機械設計及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設計工作。E-mali：13937365205@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)06-0015-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.004

2017-03-01

姜 婷)