试论压缩式封隔器胶筒变形阶段力学分析
2016-08-10陈红文
陈红文
（阜宁县宏达石化机械有限公司224400）
试论压缩式封隔器胶筒变形阶段力学分析
陈红文
（阜宁县宏达石化机械有限公司224400）
本文将压缩式封隔器胶筒变形分为自由变形和约束变形两个阶段，分别进行力学特征及性能分析，在此基础上对胶筒的强度进行分析，希望通过本文的研究能够得到合理的设计压差等相关数据，为后期设计封隔器，确定相关尺寸提供参考。
压缩式封隔器；胶筒；自由变形；约束变形
1 引言
封隔器是一种常用的井下作业工具，主要用于试采，而整个封隔器最主要的部件就是胶筒。在使用封隔器的过程中，胶筒会在压缩载荷的作用下出现轴向压缩变形，于此同时会在径向形成膨胀，进而使井壁各封隔管柱之间形成环空，可以说封隔器胶筒运行是否正常对于施工的成败起到决定性的作用，也影响到施工的安全。因此在现阶段加强对于压缩式封隔器胶筒变形阶段的力学特征进行分析具有重要的现实意义。
2 自由变形阶段胶筒力学特征分析
压缩式封隔器胶筒变形是分阶段完成的，而且在不同的阶段会呈现不同的力学特征，根据变形特征的不同一般可将胶筒变形分为自由变形和约束变形两个阶段。具体根据胶筒外壁和套筒内部是否接触进行划分。当套筒内半径Rt≥胶筒外半径Rj时，处于自由变形阶段，胶筒的变形主要受到轴向机械力作用，胶筒变形与应力应变呈现明显的线性变化关系。
3 胶筒约束变形阶段的力学性能分析
压缩式封隔器胶筒力学性能的分析需要充分结合胶筒的变形机制，只有以封隔器胶筒变形为切入点来分析才能全面分析研究封隔器胶筒的受力状态，进一步分析其工作强度，从而为初期的设计奠定基础。
当胶筒外半径Rt＞套筒内半径Rj时，套筒的内壁就与胶筒的外壁发生直接接触，并出现作用，封隔器的中心管会对胶筒的变形产生约束。此时，胶筒的变形就进入约束变形阶段，一方面受到轴向机械压力的压缩作用，另一方面受到来自接触产生的分布力和摩擦力作用。而且胶筒是使用特殊材料制作的，当受到压缩力作用时，其体积会相应发生变化，应力也随之变化。为了便于对约束变形阶段的受力情况进行分析，这里主要研究胶筒的轴向受力情况，假设在约束变形阶段胶筒轴向受力为Fz，那么Fz=Ft+Ff。其中Ft表示在胶筒变形受到约束时承受的弹性作用力，Ff表示的是胶筒受到的库伦摩擦力。
弹性作用力Ft主要可以分为两部分：①自由变形与约束变形转变阶段的压力F1，②变形时产生的弹性力Ft2，Ft2的大小与胶筒变形程度相关。
其中右侧的三部分分别表示在Ft2的作用下，轴向、径向和周向应变。由于变形过程中，套筒壁会对胶筒产生一定的约束，轴向、径向体积应变都为零。所以，总的体积应变只包括周向应变一部分。
其中右侧三部分分别表示在Ft2作用下，胶筒承受的径向应力、轴向应力和周向应力。
而由于压缩式封隔器的特殊构造，胶筒受到的径向应力、周向应力都与胶筒受到的接触分布力相等，假设接触分布力为P，则结合弹性力学厚壁筒理论，公式中的Uz表示的是在Ft2的作用下，封隔器的胶筒在轴向发生的位移。
根据约束变形的实际特点，一般将胶筒在约束变形阶段受到的轴向应力和接触分布力看作均匀分布。所以：
其中f1、f2分别表示胶筒与套筒壁和与封隔器中心管之间的摩擦系数。
4 胶筒的强度分析
为了有效保证封隔器胶筒的正常使用，需要对胶筒的强度进行校核，分析器安全性，从而为有效延长胶筒的使用寿命提供相应的参考。
由于胶筒受到三个方向上应力的作用，因此应利用第四强度理论，最终整理得到，胶筒在约束变形阶段承受的合成应力为：
4.1 不考虑工作压差
上文分析可知，压缩式封隔器胶筒在约束变形阶段会受到来自套筒和中心管两方面的约束，而径向应力、周向应力都与接触分布力P相等。假设在约束变形阶段受到的轴向应力为σz，则总轴向力：
此时胶筒承受的合成应力为：
4.2 考虑工作压差
如果综合考虑到工作压差，胶筒的极限压力就是胶筒强度校核使用的轴向应力，此时的合成应力为：
当满足以上条件时，胶筒在标准载荷下工作，封隔器的胶筒时安全的，如果工作载荷不满足以上条件，就会对胶筒、封隔器的使用造成影响，甚至会发生事故。一般情况下采用最后的公式进行强度校核，能够有效确保胶筒适应于大部分的压差状态，从而为更好的使用封隔器进行指导。
5 结论
未来随着经济社会的不断发展，压缩式封隔器的使用会更加普遍，性能要求也会更加严格，因此在现阶段，机械行业人员要加强关于压缩式封隔器尤其是胶筒变形的研究，分析变形力学特征，掌握变形规律，在设计初期充分考虑实际变形情况，选择合理的设计参数，确保压缩式封隔器能够更好的满足各种不同状况下的工作需求。
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TE931
A
1004-7344（2016）30-0229-01
2016-10-9
