油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺研制

劉秀全，　陳國明，　暢元江

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0　引　言

油氣管柱是石油與天然氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵裝備，主要包括鉆桿、鉆井隔水管、海洋立管等。實際工作中，油氣管柱受到作業(yè)載荷、環(huán)境載荷等動態(tài)載荷的影響，易發(fā)生油氣管柱疲勞失效事故[1-5]。

為了準(zhǔn)確評估油氣管柱疲勞損傷，需要開展油氣管柱疲勞實驗，確定油氣管柱的疲勞性能S-N曲線。目前，常規(guī)疲勞實驗方法主要包括軸向拉伸疲勞實驗法、4點彎曲疲勞實驗法和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗法，可開展小尺寸縮比的油氣管柱疲勞性能實驗，但存在實驗效率低、能耗高的缺點，且不適用于全尺寸油氣管柱疲勞性能測試，而共振彎曲疲勞實驗法則為油氣管柱疲勞實驗提供一種行之有效的解決方案[6-9]。因此，為了提高油氣管柱疲勞科學(xué)研究實驗基礎(chǔ)，并為油氣管柱疲勞提供良好的教學(xué)實驗平臺，研制了一套油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺。

1　實驗原理

當(dāng)機械系統(tǒng)所受激勵載荷的頻率與該系統(tǒng)的固有頻率接近時，機械系統(tǒng)會呈現(xiàn)振幅顯著增大的共振現(xiàn)象。為此，開展油氣管柱共振彎曲疲勞實驗時，可以對油氣管柱試件旋轉(zhuǎn)激勵載荷，當(dāng)旋轉(zhuǎn)激勵載荷的頻率接近試件固有頻率時試件發(fā)生共振，較小的能量輸入即可引起油氣管柱試件截面出現(xiàn)較大的交變應(yīng)力，進而產(chǎn)生疲勞損傷，并通過合理地設(shè)計油氣管柱試件以提高油氣管柱試件共振頻率，從而低能耗并高效地開展油氣管柱疲勞性能實驗[6]。

實驗平臺由試件、傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)組成(見圖1)。傳動系統(tǒng)中的電動機為實驗提供動力，帶動偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)，動載室將偏心質(zhì)量塊引起的離心激勵力傳遞至油氣管柱試件，靜載室用于平衡動載室和偏心質(zhì)量塊的質(zhì)量；支撐系統(tǒng)主要用于支撐油氣管柱試件，并具備一定的減振功能；安全防護系統(tǒng)用于防止傳動系統(tǒng)的偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)以及試件破壞造成的安全危害；測控系統(tǒng)用于采集實驗數(shù)據(jù)并對實驗平臺進行控制，通過合理的控制電機轉(zhuǎn)速，保持偏心質(zhì)量塊的激勵載荷頻率接近試件固有頻率，以達到試件共振彎曲疲勞實驗的目的。

圖1　共振彎曲疲勞實驗臺模型

2　實驗裝置設(shè)計

2.1　試　件

采用模態(tài)分析法開展油氣管柱試件設(shè)計，通過合理的選取油氣管柱試件參數(shù)滿足以下兩個要求：① 確定試件的一階固有頻率(共振頻率)。為了提高試件的疲勞實驗效率常保持共振頻率在較高的水平，一般為10～40 Hz；② 確定試件的一階模態(tài)波節(jié)。模態(tài)波節(jié)處試件的振動幅值為零，在此處支撐可以避免試件和支撐系統(tǒng)之間的動態(tài)相互作用，支撐系統(tǒng)只支撐試件的質(zhì)量，即模態(tài)波節(jié)是試件的最佳支撐點。

油氣管柱模態(tài)分析法包括理論法和有限單元法[10-11]，選取有限單元法開展油氣管柱試件模態(tài)分析，采用有限元軟件ABAQUS建立油氣管柱試件模態(tài)分析模型，確定其一階模態(tài)頻率及振型，如圖2所示。其中，試件端部質(zhì)量塊分別為傳動系統(tǒng)中的動載室和靜載室。根據(jù)有限元分析結(jié)果確定試件的一階固有頻率和振型，試件一階模態(tài)振型的中間位置模態(tài)振幅最 大，在靠近兩端處出現(xiàn)模態(tài)波節(jié)(藍色區(qū)域)，此處即為支撐系統(tǒng)的最佳支撐點。

圖2　試件模態(tài)分析有限元模型

2.2　傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)如圖3所示。傳動系統(tǒng)是為了將電機驅(qū)動力傳遞至油氣管柱試件端部，驅(qū)動油氣管柱試件發(fā)生共振。整個傳動系統(tǒng)主要包括聯(lián)軸器、傳動軸、偏心塊、滾動軸承、法蘭和三爪卡盤，電動機輸出軸連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的另一端和傳動軸連接，通過電動機驅(qū)動傳動軸和偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動，偏心質(zhì)量塊在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生離心力，從而驅(qū)動油氣管柱試件端部振動，并通過調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)動頻率以達到驅(qū)動油氣管柱試件發(fā)生共振的目的。

圖3　傳動系統(tǒng)

2.3　支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)如圖4所示。電動機支架用于支撐電動機，試件支撐系統(tǒng)主要用于支撐油氣管柱試件，包括上支架、下支架、支撐卡爪、減振系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)等。通過合理的支撐系統(tǒng)設(shè)計，可以實現(xiàn)以下功能：① 便于安裝油氣管柱試件，支撐系統(tǒng)分為上支架和下支架，并通過螺栓連接，安裝油氣管柱試件時打開上下支架，安裝試件后再連接上下支架。② 實現(xiàn)支撐系統(tǒng)的通用性，支撐架采用無級式螺紋調(diào)節(jié)的方式來滿足不同外徑試件的夾持要求以及軸心的對中操作。③ 保護整個實驗裝置，提高實驗裝置的疲勞壽命，支撐架下安裝兩個空氣彈簧實現(xiàn)縱向減振，支撐架兩側(cè)分別采用兩排線性彈簧實現(xiàn)橫向減振，采用氣墊彈簧和線性彈簧相結(jié)合的方式實現(xiàn)支撐系統(tǒng)縱向和橫向的減振功能。

圖4　支撐系統(tǒng)

2.4　安全防護系統(tǒng)

為了貫徹“安全第一，預(yù)防為先”的安全管理準(zhǔn)則[12-14]，防止實驗過程中試件斷裂以及偏心質(zhì)量塊損壞對實驗安全的影響，設(shè)計安全防護系統(tǒng)，如圖5所示。試件保護架主要用于防止實驗過程中試件意外斷裂，斷裂后試件可以被限制在試件保護架范圍內(nèi)，以免危害實驗人員安全；同理，傳動系統(tǒng)部分要帶動偏心質(zhì)量塊高速轉(zhuǎn)動，也屬于危險區(qū)域，設(shè)計傳動系統(tǒng)的安全防護室，并在安全防護室側(cè)面設(shè)計數(shù)個貓眼，用于觀察安全防護室內(nèi)部傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)情況。

圖5　安全防護系統(tǒng)

2.5　測控系統(tǒng)

采用WinCC自主開發(fā)一套油氣管柱共振彎曲疲勞實驗采集與控制系統(tǒng)，如圖6所示，可以實時采集油氣管柱試件應(yīng)變信息，并根據(jù)試件的振動信息判別試件的振動情況，進而確定實驗控制方案。如在啟動階段，通過控制系統(tǒng)實時采集不同激勵頻率下的試件振動信息，識別振動最劇烈時對應(yīng)的頻率值，搜索并確定試件共振頻率；實驗過程中，當(dāng)試件振動信息發(fā)生突變時，試件很有可能出現(xiàn)貫穿裂紋或發(fā)生斷裂失效，此時控制系統(tǒng)會自動關(guān)斷電源，停止實驗。

圖6　測控系統(tǒng)界面

3　實驗平臺測試

根據(jù)油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺設(shè)計方案，加工、組裝、安裝并調(diào)試油氣管柱實驗系統(tǒng)，選取鉆桿作為油氣管柱試件，搭建油氣管柱共振彎曲疲勞實驗臺，如圖7所示。其中，鉆桿長度5 m，外徑88.9 mm，內(nèi)徑70.2 mm，一階固有頻率為10.8 Hz。共振實驗過程中油氣管柱試件只有公轉(zhuǎn)運動無自轉(zhuǎn)運動，沿試件截面方向的應(yīng)變變化規(guī)律一致，只是截面不同位置處有一定的相位差，且試件模態(tài)振型沿中線對稱。因此，只需沿1/2段試件軸向布置一定數(shù)量的應(yīng)變片，如圖8所示。

圖7　實驗系統(tǒng)

圖8應(yīng)變片分布(m)

為了確定油氣管柱的共振實驗狀態(tài)，加載頻率從低頻至高頻依次加載，開展不同激勵頻率下的油氣管柱振動實驗，通過應(yīng)變片測量試件的振動信息，并計算不同頻率下的油氣管柱試件的循環(huán)應(yīng)力幅值，如圖9所示。

由圖9可知，隨著油氣管柱試件頻率的增大，試件 的響應(yīng)幅值逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_第一階模態(tài)共振頻率附近時試件的響應(yīng)最大，油氣管柱試件發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象，實驗共振頻率與計算一階固有頻率基本一致。在共振實驗頻率下進一步提取沿試件長度方向各個監(jiān)測點的振動響應(yīng)，獲取共振條件下沿長度方向的試件應(yīng)變，并與試件模態(tài)振型下的相對應(yīng)變進行對比，如圖10所示。沿試件長度方向中心處的響應(yīng)最大，向兩側(cè)逐漸減小，與模態(tài)振型分析結(jié)果一致。

圖9　不同頻率下的試件循環(huán)應(yīng)力幅值

圖10　沿試件長度方向的應(yīng)變

通過開展油氣管柱試件共振實驗，實時監(jiān)測油氣管柱試件應(yīng)變。如圖11所示，油氣管柱試件應(yīng)變變化規(guī)律呈規(guī)則正弦波形式，通過對試件應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理，將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為試件動態(tài)循環(huán)應(yīng)力，并通過疲勞損傷計算公式可以確定試件的疲勞損傷信息，以達到疲勞實驗的目的[15]，可表示為：

D=NSm/C

其中：D為疲勞損傷；N為循環(huán)次數(shù)；S為疲勞應(yīng)力；m和C為疲勞S-N曲線中的常數(shù)。

圖11　隔水管動態(tài)應(yīng)變

4　結(jié)　語

基于共振原理研制了一套油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺，主要由油氣管柱試件、傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)組成，可低能耗并高效地實現(xiàn)不同尺寸油氣管柱的共振彎曲疲勞實驗，并根據(jù)實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)確定其疲勞性能，為油氣管柱疲勞性能測試提供良好的實驗平臺。

科研成果反哺教學(xué)是科學(xué)研究的一項本質(zhì)工作，將油氣管柱共振彎曲疲勞實驗平臺用于高校石油機械工程專業(yè)的實驗教學(xué)，依托此實驗平臺學(xué)生可依次完成油氣管柱試件模態(tài)分析、支撐點設(shè)計、試件安裝、共振頻率搜索、實驗數(shù)據(jù)采集與疲勞損傷計算，可使學(xué)生直觀地認識油氣管柱共振現(xiàn)象，并通過科學(xué)實驗深刻理解油氣管柱疲勞損傷過程，實現(xiàn)理論與實驗教學(xué)的有機結(jié)合，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰ζ鸬椒e極的作用。

參考文獻(References)：

[1]許亮斌, 暢元江, 蔣世全, 等. 深水鉆井隔水管時域非線性動態(tài)響應(yīng)分析技術(shù)研究[J]. 中國海上油氣, 2008, 20(2): 115-120.

[2]王嘉松, 蔣世全, 許亮斌. 深水鉆井隔水管渦激振動特性的數(shù)值模擬研究[J]. 石油鉆采工藝, 2015, 37(1): 30-35.

[3]王俊高, 付世曉, 許玉旺, 等. 振蕩來流下柔性立管渦激振動響應(yīng)特性試驗研究[J]. 船舶力學(xué), 2016, 20(4): 419-429.

[4]劉秀全, 陳國明, 暢元江, 等. 基于頻域法的深水鉆井隔水管波激疲勞分析[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(11): 7-11.

[5]陳國明, 劉秀全, 暢元江, 等. 深水鉆井隔水管與井口技術(shù)研究進展[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 37(5): 129-139.

[6]劉秀全, 陳國明, 暢元江, 等. 海洋油氣立管疲勞試驗方法[J]. 中國造船. 2011, 52(s2): 34-39.

[7]侯曉東, 劉宏亮, 雷廣進, 等. 深水鉆井隔水管共振式疲勞試驗研究[J]. 石油礦場機械, 2016, 45(10): 37-43.

[8]Wittenberghe J V, Baets P D, Waele W D,etal. Resonant bending fatigue test setup for pipes with optical displacement measuring system[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2012, 134(3): 1-6.

[9]Bertini L, Beghini M, Santus C,etal. Resonant test rigs for fatigue full scale testing of oil drilling string connections[J]. International Journal of Fatigue, 2008, 30: 978-988.

[10]傅志方, 華宏星. 模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2000.

[11]曹妍妍, 趙登峰. 有限元模態(tài)分析理論及其應(yīng)用[J]. 機械工程與自動化, 2007, 140(1): 73-74.

[12]葉秉良, 汪進前, 李五一, 等. 高校實驗室安全管理體系構(gòu)建與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(8): 419-422.

[13]李丁, 曹沛, 王萍, 等. 高校實驗室安全管理體系構(gòu)建的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2014， 33(3): 274-277.

[14]陳玲. 高校實驗室安全管理面臨的問題與對策[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(1): 283-286.

[15]劉秀全, 陳國明, 暢元江, 等. 深水鉆井隔水管-導(dǎo)管系統(tǒng)波激疲勞分析[J]. 石油學(xué)報, 2013, 34(5): 977-982.