石油开采注水管内壁切削刀具分析

摘 要：注水管内壁切削除垢技术是一种机械除垢方式，能有效地增大注水管工作内径，从而提高注水效率。相对于化学除垢以及高压水射流除垢，机械除垢更加环保、操作更加方便，除垢效果也更加显著。根据垢物切削机理模型的特点，对所设计的刀具进行有限元分析。对注水管结垢试件进行了切削除垢试验，为进一步改进刀具提供了依据。

关键词：人工注水；切削除垢；脆性材料；刀具；应力分布

引言

在石油开采过程中，为提高原油采收率常常利用人工注水或注气的方法，增补油藏能量使原油得到连续开采，所采用的人工注水方法会使注水管内壁形成垢物，导致工作管径缩小，影响注水效率。国内外对管内壁除垢技术展开了大量研究，这些研究主要集中在化学除垢和高压水喷射除垢方面，而在机械除垢方法研究相对较少，故通过对脆性材料切削机理的研究及设计合适的切削装置，对注水管内壁切削除垢技术进行试验和理论研究，进而提高注水管除垢的效率和可靠性，这对于注水管内壁除垢技术实践应用具有现实指导意义[1]。

1 注水管内壁切削除垢刀具设计

除垢器结构如图1所示，主要由切削装置、磨铣装置、传动装置、密封扶正装置组成。这里将针对切削装置的刀具进行研究分析，提高刀具切削性能。刀具是切削除垢系统的核心部分，刀具结构决定了切削除垢过程应力、应变的变化效果，以及除垢能力的强弱等因素[1、2]。考虑到切削除垢对象为环状结构，垢物粘接在注水管内壁，呈凹凸起伏，不均匀状，适合于深孔镗削作业，因此除垢刀具设计参照深孔加工刀具来进行设计。

本除垢器内部安装的涡轮转子在动力液的作用下转动，并产生扭矩，带动主轴转动。主轴端部与除垢刀具连接，带动其旋转，对注水管结垢进行清除。

2 刀片材料的选择

考虑到被加工材料为脆性材料，即其主要成分为CaCO3，结构分布不均匀，大部分呈致密分布，同时伴随有明显气孔产生[3]。根据砂岩力学性能分析，其抗拉强度为4～25MPa，该材料为脆性材料，切屑形态为蹦碎切屑，因此，对于除垢刀具的刀片材料应选择强度高的硬质合金材料，这里选择刀具材料为YG8。该材料抗弯强度不低于20MPa，因此，可以满足被加工材料的要求[4、5]。

3 刀具结构静力分析

3.1 切削力分析

以所设计刀具结构为依据进行受力分析。由于刀具结构完全对称，两个刀齿上所受的切削力Fz和Fy理论上完全抵消，此时刀具上只有两个刀齿所承受的轴向切削力Fx，Fz和Fy产生的导向块轴向摩擦力和摩擦扭矩，以及Fz产生的切削扭矩MF，其受力简图如图2所示。

依据空间一般力系的平衡条件列X轴的平衡方程，得：

依据空间一般扭矩的平衡条件列圆周方向的平衡方程，得：

由摩擦力公式可以得到：

式中：Fx总-总支轴向力；M总-总支扭矩；Fx-轴向切削力分量；Ff1、Ff2-导向块1和2上的轴向摩擦力；Ffx1、Ffx2-导向块1和2上的正压力；Fn1、Fn2-导向块1和2上的周向摩擦力；μ1、μ2-导向块1和2与孔壁的摩擦系数

3.2刀具网格划分

首先，对模型材料进行参数的定义，其包括单元类型、单位制、材料的特性等。在单位制的制定中，在保证单位统一的前提下，可以使用任一种单位制。材料的性质参数被称作材料特性，进行分析前，首先要定义材料的弹性模量、泊松比和密度等参数。除垢刀具使用的材料是高速工具钢，材料参数特性如表1所示。

表1 高速工具钢材料特性

选取合适的单元类型是有限元分析的前提，文章选取solid45单元，该单元用于三维实体结构模型，单元由8个节点结合而成，每个节点有x、y、z 3个方向的自由度。具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变的特征，可以获得简化的综合的微控选项，满足刀具的分析要求。考虑到刀具在切削过程中刀片与试样直接接触，预期接触面上应力达到最大值，故网格划分时对刀片处加密，划分网格后的效果如图3所示。

3.3 加载及求解

结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域，用于求解外加载荷引起的应力、应变和位移。当有限元模型建立后，各单元的应力、应变关系可根据塑性力学的应变增量理论写为：

式中；ε-应变，Pa；dε-以张量表示的应变增量，Pa；σ-应力，Pa；dσ-应力增量，Pa；σ'ij-应力导数；P-平均主应力，Pa；δ-质点位移，μm；E、G、μ-分别为弹性模量、刚性模量和泊松比

用矩阵表达式，各元素结点的力增量{dF}与结点的位移增量{dδ}之间的关系即刚度方程，可表示为：

式中：[B]-应变-位移矩阵，定义为： ；[D]-应力-

应变矩阵，定义为： ；Δ、aw-微元素元面积和厚度；

[KG]-图形非线性修正项。

整体应力应变分布状态是根据每个节点的位移增量和应力增量，以及每个单元上的平均应变和应力而得到的，通过考虑特定的边界条件解方程求解得到，根据以上分析方法，当前处理合适时，就可以得到较为理想的数值解。

3.4 约束及求解

根据刀具工作时的装夹方式，即在刀具柄部外表面的轴向圆柱面上施加全位移约束，使得刀具不能在轴向和径向发生窜动和跳动。另外，简化刀具受力情况，施加载荷时假设切削力作用在主切削刃上，给一定切削力大小，通过有限元求解得到对刀具工作过程中的应力变化情况，如图4所示。

从应力结果图可以看出，刀具应力由外到内逐渐减小分布，最大应力集中在刀具主切削刃处。通过对刀具进行结构静力学分析，一方面可以得到刀具受力时，其应力分布情况，以及其最大受力点；另一方面，当得知刀具具体受力大小时，可以通过加载相应载荷以得到其是否超过刀具弯曲强度，使刀具变形。

4 结束语

（1）结合物相分析理论针对垢样成分进行分析，从结垢管线解剖情况来看，管线结垢呈现两种形式：一种是坚硬致密的结垢物，其主要成分为CaCO3；另一种是与致密结垢物混合附着在注水管内壁的杂质，其成分为砂土、松软油泥等。（2）通过对刀具结构的静力分析可以得出，刀具在靜态条件下受指定载荷作用时的应力和应变分布情况，即刀具应力由外到内逐渐减小分布，最大应力集中在刀具主切削刃处。（3）通过对带垢注水管进行建模，用ANSYS软件对注水管内壁进行应力分析，从应力云图可以看出垢物受力由里向外逐渐减小，并且最大应力出现在与刀具接触的接触面内。

参考文献

[1]杨建华，南国立.注水管线酸洗除垢工艺[J].石油工程建设，2004，20

（6）：42-43.

[2]孙定华.高压水射流技术在石化管道清洗中的运用[J].化学工程与装备，2008（6）：82-83.

[3]李媛.浅谈油田注水结垢现象[J].内蒙古石油化工，2013，39（9）：57-58.

[4]杨俊飞，田欣利，刘超，等.非金属硬脆材料加工技术的最新进展[J].新技术新工艺，2009（8）：10-16.

[5]姜春荣，刘翻海.YCG-100/10型油管内壁除垢机[J].石油机械，1994（12）.

作者简介：刘德，研究方向：机械制造及其自动化。