連續(xù)管快換式滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核

管鋒，徐夢(mèng)卓 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉燕 (中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

劉少胡 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

連續(xù)管廣泛應(yīng)用于試油、修井、完井、測(cè)井、增產(chǎn)、鉆井、管道集輸?shù)阮I(lǐng)域，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的特種作業(yè)設(shè)備[1]。滾筒裝置是連續(xù)管的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，主要功能是容納、支撐連續(xù)管，確保連續(xù)管收放平穩(wěn)、纏繞整齊。但滾筒裝置體積較大，結(jié)構(gòu)為一體式，不方便運(yùn)輸及吊裝；更換連續(xù)管尺寸大小或材料類(lèi)型時(shí)，一體式滾筒拆卸和纏繞連續(xù)管的時(shí)間均較長(zhǎng)，大大降低了連續(xù)管作業(yè)車(chē)的整體效率；纏繞在滾筒上的連續(xù)管發(fā)生的塑性變形引起滾筒的外部擠壓[2]，容易導(dǎo)致底座變形。因此，發(fā)展快換式連續(xù)管滾筒很有必要。

2003年，T.D.Clain等提出了一種新型的連續(xù)管滾筒筒芯與底座支架的連接型式[3]，即筒芯兩側(cè)均有一個(gè)帶槽的支撐輪轂，該槽可與凸臺(tái)卡在一起，起到限位作用。2011年，劉英蓮等設(shè)計(jì)了可更換速裝滾筒裝置[4]，該裝置使用可以迅速抽離的鍥形塊和插裝板，實(shí)現(xiàn)滾筒的驅(qū)動(dòng)和快速裝卸。由于采用鍥塊式夾緊，同時(shí)通過(guò)螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)鍥塊的調(diào)整和限位，更換時(shí)存在一定的安全隱患。2012年，李世奇等提出了一種快換式連續(xù)管滾筒裝置[5]，該連接方式安全巧妙，但容易出現(xiàn)過(guò)定位的問(wèn)題。針對(duì)以上滾筒結(jié)構(gòu)的不足，筆者設(shè)計(jì)了一種新型的快換式滾筒結(jié)構(gòu)。

1 滾筒總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 快接盤(pán)的連接形式

筆者設(shè)計(jì)的快換式滾筒結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于快接盤(pán)的連接型式為銷(xiāo)軸連接，即筒芯上的快接盤(pán)與底座上的快接盤(pán)通過(guò)一個(gè)中心孔插裝銷(xiāo)軸進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。而常用的滾筒連接型式大多為螺紋連接，其快換部分的主要部件為鍥形塊和插裝板。

滾筒總成主要由滾筒橇架、滾筒體、高壓管匯、排管器、計(jì)數(shù)器、滾筒管路、潤(rùn)滑系統(tǒng)，防護(hù)框架等幾大部分組成，滾筒總成主要部件及其裝配關(guān)系如圖2所示。

1.1 滾筒橇架

滾筒橇架由帶支撐座的滾筒底橇、滾筒安裝座、滾筒吊架組成。滾筒底橇有2個(gè)250mm×100mm(寬×高)的起重用叉車(chē)槽，兩叉車(chē)槽的中心距為1850mm。用于驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)的2個(gè)液壓馬達(dá)直接安裝在滾筒安裝座上，通過(guò)齒輪傳動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。滾筒橇架起保護(hù)作用，通過(guò)銷(xiāo)軸直接與滾筒底橇連接。在滾筒橇架頂部四角處有用于吊裝(或拆卸)橇架的吊耳。滾筒吊架安裝在滾筒安裝座上，用于吊裝纏繞連續(xù)管的滾筒或吊裝整橇。滾筒橇架整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 滾筒總成結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 滾筒橇架示意圖

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

常規(guī)滾筒主要采用鏈條驅(qū)動(dòng)滾筒正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)減速，使?jié)L筒獲得較低轉(zhuǎn)速和較大扭矩[6]?？鞊Q式滾筒則是通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪減速驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，瞬間傳動(dòng)比恒定且穩(wěn)定性高，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要組成有液壓馬達(dá)、一級(jí)小齒輪、一級(jí)大齒輪、二級(jí)小齒輪、回轉(zhuǎn)支撐、滾筒快接盤(pán)等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其中一級(jí)減速齒輪采用油潤(rùn)滑方式進(jìn)行潤(rùn)滑，二級(jí)減速齒輪采用潤(rùn)滑脂方式進(jìn)行潤(rùn)滑。

1.3 滾筒筒芯

1.3.1滾筒底徑的計(jì)算

滾筒筒芯的尺寸可按表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行選取和計(jì)算[7]。

表1 連續(xù)管尺寸與筒芯尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于尺寸為2in的連續(xù)管，根據(jù)表1，取其對(duì)應(yīng)的滾筒半徑為：

r=40in=40×25.4mm=1016mm

綜上所述，滾筒底徑為D=2r=80in=2032mm。

1.3.2滾筒容量的計(jì)算

2.2.2 氣溫相關(guān)指標(biāo)。本研究以有無(wú)發(fā)病為分組依據(jù)，分為有發(fā)病組（n=847）、無(wú)發(fā)病組（n=614），納入的氣溫指標(biāo)有平均氣壓、日氣壓差、日平均氣溫、日氣溫差、日平均水汽壓、日平均相對(duì)濕度、日降水量、日平均風(fēng)速、日極大風(fēng)速、舒適度指數(shù)，結(jié)果提示，上述氣象學(xué)指標(biāo)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)（表2）。

圖5 滾筒尺寸圖

滾筒連續(xù)管容量要求設(shè)計(jì)：1.5in油管可纏繞8100m；1.75in油管可纏繞5900m；2in油管可纏繞4600m。滾筒容量主要由油管外徑d，滾筒底徑C，輪緣內(nèi)側(cè)寬度B，滾筒外徑A決定，如圖5所示。

由容量相關(guān)參數(shù)可確定滾筒尺寸為：滾筒底徑C=80in(2032mm)，輪緣寬度B=70in(1778mm)，滾筒外徑為140in(3556mm)。對(duì)2in的連續(xù)管，外徑為50.8mm，則使用上述滾筒，每層可纏繞35圈的連續(xù)管。按照該滾筒的設(shè)計(jì)纏繞容量4600m，可計(jì)算出2in連續(xù)管在其上的纏繞層數(shù)、纏繞長(zhǎng)度和纏繞重量的數(shù)據(jù)，如表2所示。

1.3.3滾筒筒芯結(jié)構(gòu)

圖6 滾筒筒芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 滾筒筒身單元受力平衡圖

吊耳焊接在滾筒體上，快接盤(pán)焊接在吊耳的正下方，其中滾筒筒芯上的快接盤(pán)用來(lái)與底座上的快接盤(pán)通過(guò)中間的大圓孔進(jìn)行定位，又根據(jù)之前的筒芯尺寸計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.4 快換原理

滾筒筒芯自身的快接盤(pán)與底座的快接盤(pán)通過(guò)插裝銷(xiāo)軸連接，實(shí)現(xiàn)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)和裝卸。液壓馬達(dá)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)快接盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)快接盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)。在拆卸滾筒前，首先需要從注入頭上卸掉油管，保證油管端部始終牢固；用鏈條把繞在滾筒上的外層油管固定好；用吊帶把吊耳連接到平衡梁的上部卡子上，再把吊帶從平衡梁連接到滾筒吊耳上，并保證吊耳向上；安裝好叉桿銷(xiāo)，保證定位銷(xiāo)就位、固定。待吊車(chē)起到能夠保證筒芯不會(huì)落于地面的安全位置后，再將銷(xiāo)軸卸下,使得2個(gè)快接盤(pán)分開(kāi),再把筒芯移至到規(guī)定區(qū)域,這樣就實(shí)現(xiàn)了滾筒的快速拆卸的過(guò)程。

2 快換式滾筒的受力分析

當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)起升和下降連續(xù)管時(shí)，筒芯纏繞的連續(xù)管會(huì)對(duì)筒身產(chǎn)生徑向壓力，同時(shí)對(duì)側(cè)板產(chǎn)生軸向擠壓力。此外滾筒還會(huì)受到彎矩和扭矩的作用，由于其產(chǎn)生的應(yīng)力很小，所以在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

2.1 筒芯纏繞連續(xù)管對(duì)筒身的壓力

假設(shè)每圈連續(xù)管對(duì)筒身的壓力均勻作用在寬度為d(連續(xù)管外徑)的圓環(huán)上，則該圓環(huán)的受力平衡條件如圖7所示，兩端連續(xù)管的拉力N1與環(huán)對(duì)連續(xù)管的反力的垂直分力相平衡[8]：

(1)

當(dāng)纏繞n層時(shí)，其公式為[8]：

(2)

圖8 筒身纏繞2層連續(xù)管后的受力分析圖

式中，Prn為纏繞n層連續(xù)管后滾筒筒身受到的壓力，MPa；Nk為第k層連續(xù)管受到的拉力，N；uk為纏繞k層連續(xù)管后滾筒筒身的徑向位移，mm；E2為連續(xù)管的彈性模量，MPa。

2.2 筒芯纏繞連續(xù)管對(duì)側(cè)板的擠壓力

當(dāng)筒身上只纏繞1層連續(xù)管時(shí)，沒(méi)有對(duì)側(cè)板產(chǎn)生擠壓力。當(dāng)纏繞第2層連續(xù)管時(shí)，其對(duì)第1層連續(xù)管產(chǎn)生的擠壓力Fr2的分力即第1層連續(xù)管對(duì)滾筒側(cè)板產(chǎn)生的擠壓力為Fz2,如圖8所示，計(jì)算式[8]如下：

(3)

當(dāng)纏繞n層時(shí)，其公式為[8]：

(4)

式中，A為連續(xù)管的橫截面積，mm2；Pzn為纏繞n層連續(xù)管后滾筒擋板受到的擠壓力，N。

在理想的情況下，假設(shè)取每層連續(xù)管所受到的拉力大小相同，取值為15000N。通過(guò)Excel運(yùn)算公式計(jì)算可得出纏繞每層對(duì)應(yīng)的徑向壓力和擠壓力，其具體結(jié)果如表2所示，其中3～14層所對(duì)應(yīng)的數(shù)值省略。2in的連續(xù)管纏繞4600m時(shí)，滾筒筒身受到約為0.209MPa的壓力，擋板受到12732N的擠壓力。

表2 連續(xù)管纏繞層數(shù)、長(zhǎng)度、重量以及擋板所受的軸向力

2.3 風(fēng)載荷

與常規(guī)滾筒最大的區(qū)別在于該滾筒需要考慮其在快換過(guò)程中的吊裝，此時(shí)主要受力為重力和風(fēng)載荷。當(dāng)該滾筒應(yīng)用于海洋平臺(tái)時(shí)，要求不能超過(guò)8級(jí)風(fēng)作業(yè)，通過(guò)查表得知8級(jí)風(fēng)速大小為17.2～20.7m/s[9]，取最大值20.7m/s。對(duì)風(fēng)載荷在快換滾筒吊裝時(shí)的靜力影響進(jìn)行了分析，其風(fēng)載荷F、偏擺角θ公式分別為：

(5)

(6)

式中，F(xiàn)為作用在井架上的風(fēng)載，N；ρ為空氣密度，kg/m3;G為筒芯的重量，N；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)，取1.25；Vk為風(fēng)速，m/s；A為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2。

通過(guò)查高度系數(shù)表[10]，考慮最大極限工況吊裝40m所對(duì)應(yīng)的Ch取1.2，Cs取1.25，Vk取20.7m/s，考慮到滾筒吊裝時(shí)有2種迎風(fēng)情況，即風(fēng)垂直于滾筒直輪緣內(nèi)側(cè)寬度和風(fēng)垂直于滾筒外徑，其面積分別為6.287m2和9.815m2；對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷F分別為2475.76N和3865.05N；偏擺角θ分別為0.5°和0.8°，為安全起見(jiàn)，可取偏擺角為1°。

3 快換式滾筒的有限元分析

3.1 快換式滾筒有限元模型

圖9 滾筒體有限元模型

在不影響計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)滾筒模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用AnsysWorkbench軟件對(duì)滾筒進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析。通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及參考實(shí)際工況，選取滾筒整體的材料為Q345B，為低合金鋼，屈服強(qiáng)度≥345MPa，抗拉強(qiáng)度為450～630MPa，泊松比為0.27，彈性模量E=206GPa。有限元單元大小取60mm，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格模式劃分網(wǎng)格，其生成的網(wǎng)格疏密均勻，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為310183，單元數(shù)為106411。

主要通過(guò)圓柱坐標(biāo)建立邊界條件：快接盤(pán)端面固定約束；筒芯上半部受到15層連續(xù)管的重量24t；筒芯施加軸向和徑向約束(即X，Z方向約束，Y方向自由)；筒身整體受到連續(xù)管的擠壓力約為0.209MPa；側(cè)板受到擠壓力約為12732N,如圖9所示。

3.2 工況分析

快換式滾筒有2種工況：一種是常規(guī)工作工況，一種是快換時(shí)的吊裝工況。2種工況所受到的載荷條件略有不同，具體如表3所示。

表3 滾筒在2種工況下的所受載荷對(duì)比

3.3 工作時(shí)快換式滾筒有限元分析

下面計(jì)算滾筒在承受最大載荷的極限工況下(纏繞2in-4600m的連續(xù)管時(shí))的應(yīng)力和變形情況。由圖10可知，其最大變形量為0.59mm，在筒芯中心部位。由于滾筒材料為Q345B，參考工程實(shí)踐，選取安全系數(shù)為1.7，則滾筒設(shè)計(jì)最大的許用應(yīng)力為345/1.7=203MPa。由圖11可知最大應(yīng)力為198.92MPa，位于吊耳底端與吊耳旁的筋桿交匯角。由于小于最大許用應(yīng)力203MPa，該滾筒強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 吊裝時(shí)快換式滾筒有限元分析

快換滾筒與常規(guī)滾筒的最大不同在于吊裝工況，當(dāng)筒芯通過(guò)吊車(chē)進(jìn)行更換時(shí)，其受到的風(fēng)載需要考慮進(jìn)去。其風(fēng)載大小根據(jù)上節(jié)理論計(jì)算取3865.05N，加載到模型中，約束面為吊耳的2個(gè)孔，通過(guò)Workbench分析可得到其應(yīng)力和變形情況：由圖12可得最大變形量為0.244mm，圖13可知吊裝工況下最大應(yīng)力值為127.98MPa，位于筒身內(nèi)徑的半圓弧與吊耳旁的筋桿交匯角。由于小于最大許用應(yīng)力203MPa，該滾筒強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)計(jì)了一種新型的連續(xù)管快換式滾筒結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)集成化，快換時(shí)定位方式簡(jiǎn)單，拆裝更換方式安全。

圖10 工作時(shí)滾筒體位移云圖 圖11 工作時(shí)滾筒體應(yīng)力云圖

圖12 吊裝時(shí)滾筒體位移云圖 圖13 吊裝時(shí)滾筒體應(yīng)力云圖

2)該快換式滾筒結(jié)構(gòu)采用新型的快接盤(pán)連接方式，筒芯的快接盤(pán)與底座的快接盤(pán)通過(guò)一個(gè)中心孔插裝銷(xiāo)軸進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)新穎，安全可靠。

3)通過(guò)計(jì)算工作時(shí)纏繞連續(xù)管后筒身所受壓力、滾筒側(cè)板所受擠壓力以及吊裝滾筒所受風(fēng)載，采用Workbench軟件進(jìn)行靜力分析。分析結(jié)果表明，在工作和吊裝2種工況下，該滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

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