连续管快换式滚筒结构设计及校核

2018-03-26管锋徐梦卓长江大学机械工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2018年5期

管锋，徐梦卓 (长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

刘燕 (中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州 434024)

刘少胡 (长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

连续管广泛应用于试油、修井、完井、测井、增产、钻井、管道集输等领域，是一种具有广阔应用前景的特种作业设备[1]。滚筒装置是连续管的储运设备，主要功能是容纳、支撑连续管，确保连续管收放平稳、缠绕整齐。但滚筒装置体积较大，结构为一体式，不方便运输及吊装；更换连续管尺寸大小或材料类型时，一体式滚筒拆卸和缠绕连续管的时间均较长，大大降低了连续管作业车的整体效率；缠绕在滚筒上的连续管发生的塑性变形引起滚筒的外部挤压[2]，容易导致底座变形。因此，发展快换式连续管滚筒很有必要。

2003年，T.D.Clain等提出了一种新型的连续管滚筒筒芯与底座支架的连接型式[3]，即筒芯两侧均有一个带槽的支撑轮毂，该槽可与凸台卡在一起，起到限位作用。2011年，刘英莲等设计了可更换速装滚筒装置[4]，该装置使用可以迅速抽离的锲形块和插装板，实现滚筒的驱动和快速装卸。由于采用锲块式夹紧，同时通过螺纹来实现锲块的调整和限位，更换时存在一定的安全隐患。2012年，李世奇等提出了一种快换式连续管滚筒装置[5]，该连接方式安全巧妙，但容易出现过定位的问题。针对以上滚筒结构的不足，笔者设计了一种新型的快换式滚筒结构。

1 滚筒总成的结构设计

图1 快接盘的连接形式

笔者设计的快换式滚筒结构主要创新点在于快接盘的连接型式为销轴连接，即筒芯上的快接盘与底座上的快接盘通过一个中心孔插装销轴进行连接，其结构如图1所示。而常用的滚筒连接型式大多为螺纹连接，其快换部分的主要部件为锲形块和插装板。

滚筒总成主要由滚筒橇架、滚筒体、高压管汇、排管器、计数器、滚筒管路、润滑系统，防护框架等几大部分组成，滚筒总成主要部件及其装配关系如图2所示。

1.1 滚筒橇架

滚筒橇架由带支撑座的滚筒底橇、滚筒安装座、滚筒吊架组成。滚筒底橇有2个250mm×100mm(宽×高)的起重用叉车槽，两叉车槽的中心距为1850mm。用于驱动滚筒旋转的2个液压马达直接安装在滚筒安装座上，通过齿轮传动方式，驱动滚筒旋转。滚筒橇架起保护作用，通过销轴直接与滚筒底橇连接。在滚筒橇架顶部四角处有用于吊装(或拆卸)橇架的吊耳。滚筒吊架安装在滚筒安装座上，用于吊装缠绕连续管的滚筒或吊装整橇。滚筒橇架整体结构示意图如图3所示。

图2 滚筒总成结构示意图图3 滚筒橇架示意图

图4 驱动系统结构示意图

1.2 驱动系统

常规滚筒主要采用链条驱动滚筒正反转，经过减速，使滚筒获得较低转速和较大扭矩[6]。快换式滚筒则是通过液压马达带动齿轮减速驱动滚筒旋转，瞬间传动比恒定且稳定性高，使得整体结构紧凑。该驱动系统主要组成有液压马达、一级小齿轮、一级大齿轮、二级小齿轮、回转支撑、滚筒快接盘等，其结构示意图如图4所示。其中一级减速齿轮采用油润滑方式进行润滑，二级减速齿轮采用润滑脂方式进行润滑。

1.3 滚筒筒芯

1.3.1滚筒底径的计算

滚筒筒芯的尺寸可按表1中的数据进行选取和计算[7]。

表1 连续管尺寸与筒芯尺寸对应关系

对于尺寸为2in的连续管，根据表1，取其对应的滚筒半径为：

r=40in=40×25.4mm=1016mm

综上所述，滚筒底径为D=2r=80in=2032mm。

1.3.2滚筒容量的计算

2.2.2 气温相关指标。本研究以有无发病为分组依据，分为有发病组（n=847）、无发病组（n=614），纳入的气温指标有平均气压、日气压差、日平均气温、日气温差、日平均水汽压、日平均相对湿度、日降水量、日平均风速、日极大风速、舒适度指数，结果提示，上述气象学指标差异均无统计学意义（P＞0.05），见（表2）。

图5 滚筒尺寸图

滚筒连续管容量要求设计：1.5in油管可缠绕8100m；1.75in油管可缠绕5900m；2in油管可缠绕4600m。滚筒容量主要由油管外径d，滚筒底径C，轮缘内侧宽度B，滚筒外径A决定，如图5所示。

由容量相关参数可确定滚筒尺寸为：滚筒底径C=80in(2032mm)，轮缘宽度B=70in(1778mm)，滚筒外径为140in(3556mm)。对2in的连续管，外径为50.8mm，则使用上述滚筒，每层可缠绕35圈的连续管。按照该滚筒的设计缠绕容量4600m，可计算出2in连续管在其上的缠绕层数、缠绕长度和缠绕重量的数据，如表2所示。

1.3.3滚筒筒芯结构

图6 滚筒筒芯结构示意图

图7 滚筒筒身单元受力平衡图

吊耳焊接在滚筒体上，快接盘焊接在吊耳的正下方，其中滚筒筒芯上的快接盘用来与底座上的快接盘通过中间的大圆孔进行定位，又根据之前的筒芯尺寸计算，其结构如图6所示。

1.4 快换原理

滚筒筒芯自身的快接盘与底座的快接盘通过插装销轴连接，实现滚筒的转动和装卸。液压马达通过减速器驱动快接盘转动，再通过快接盘的转动带动滚筒的旋转。在拆卸滚筒前，首先需要从注入头上卸掉油管，保证油管端部始终牢固；用链条把绕在滚筒上的外层油管固定好；用吊带把吊耳连接到平衡梁的上部卡子上，再把吊带从平衡梁连接到滚筒吊耳上，并保证吊耳向上；安装好叉杆销，保证定位销就位、固定。待吊车起到能够保证筒芯不会落于地面的安全位置后，再将销轴卸下,使得2个快接盘分开,再把筒芯移至到规定区域,这样就实现了滚筒的快速拆卸的过程。

2 快换式滚筒的受力分析

当滚筒旋转起升和下降连续管时，筒芯缠绕的连续管会对筒身产生径向压力，同时对侧板产生轴向挤压力。此外滚筒还会受到弯矩和扭矩的作用，由于其产生的应力很小，所以在计算时可以忽略不计。

2.1 筒芯缠绕连续管对筒身的压力

假设每圈连续管对筒身的压力均匀作用在宽度为d(连续管外径)的圆环上，则该圆环的受力平衡条件如图7所示，两端连续管的拉力N1与环对连续管的反力的垂直分力相平衡[8]：

(1)

当缠绕n层时，其公式为[8]：

(2)

图8 筒身缠绕2层连续管后的受力分析图

式中，Prn为缠绕n层连续管后滚筒筒身受到的压力，MPa；Nk为第k层连续管受到的拉力，N；uk为缠绕k层连续管后滚筒筒身的径向位移，mm；E2为连续管的弹性模量，MPa。

2.2 筒芯缠绕连续管对侧板的挤压力

当筒身上只缠绕1层连续管时，没有对侧板产生挤压力。当缠绕第2层连续管时，其对第1层连续管产生的挤压力Fr2的分力即第1层连续管对滚筒侧板产生的挤压力为Fz2,如图8所示，计算式[8]如下：

(3)

当缠绕n层时，其公式为[8]：

(4)

式中，A为连续管的横截面积，mm2；Pzn为缠绕n层连续管后滚筒挡板受到的挤压力，N。

在理想的情况下，假设取每层连续管所受到的拉力大小相同，取值为15000N。通过Excel运算公式计算可得出缠绕每层对应的径向压力和挤压力，其具体结果如表2所示，其中3～14层所对应的数值省略。2in的连续管缠绕4600m时，滚筒筒身受到约为0.209MPa的压力，挡板受到12732N的挤压力。

表2 连续管缠绕层数、长度、重量以及挡板所受的轴向力

2.3 风载荷

与常规滚筒最大的区别在于该滚筒需要考虑其在快换过程中的吊装，此时主要受力为重力和风载荷。当该滚筒应用于海洋平台时，要求不能超过8级风作业，通过查表得知8级风速大小为17.2～20.7m/s[9]，取最大值20.7m/s。对风载荷在快换滚筒吊装时的静力影响进行了分析，其风载荷F、偏摆角θ公式分别为：

(5)

(6)

式中，F为作用在井架上的风载，N；ρ为空气密度，kg/m3;G为筒芯的重量，N；Ch为高度系数；Cs为形状系数，取1.25；Vk为风速，m/s；A为垂直于风向的迎风面积，m2。

通过查高度系数表[10]，考虑最大极限工况吊装40m所对应的Ch取1.2，Cs取1.25，Vk取20.7m/s，考虑到滚筒吊装时有2种迎风情况，即风垂直于滚筒直轮缘内侧宽度和风垂直于滚筒外径，其面积分别为6.287m2和9.815m2；对应的风载荷F分别为2475.76N和3865.05N；偏摆角θ分别为0.5°和0.8°，为安全起见，可取偏摆角为1°。

3 快换式滚筒的有限元分析

3.1 快换式滚筒有限元模型

图9 滚筒体有限元模型

在不影响计算结果的基础上，对滚筒模型进行适当简化，利用AnsysWorkbench软件对滚筒进行静力学强度分析。通过查阅机械设计手册及参考实际工况，选取滚筒整体的材料为Q345B，为低合金钢，屈服强度≥345MPa，抗拉强度为450～630MPa，泊松比为0.27，弹性模量E=206GPa。有限元单元大小取60mm，采用自动划分网格模式划分网格，其生成的网格疏密均匀，网格节点总数为310183，单元数为106411。

主要通过圆柱坐标建立边界条件：快接盘端面固定约束；筒芯上半部受到15层连续管的重量24t；筒芯施加轴向和径向约束(即X，Z方向约束，Y方向自由)；筒身整体受到连续管的挤压力约为0.209MPa；侧板受到挤压力约为12732N,如图9所示。

3.2 工况分析

快换式滚筒有2种工况：一种是常规工作工况，一种是快换时的吊装工况。2种工况所受到的载荷条件略有不同，具体如表3所示。

表3 滚筒在2种工况下的所受载荷对比

3.3 工作时快换式滚筒有限元分析

下面计算滚筒在承受最大载荷的极限工况下(缠绕2in-4600m的连续管时)的应力和变形情况。由图10可知，其最大变形量为0.59mm，在筒芯中心部位。由于滚筒材料为Q345B，参考工程实践，选取安全系数为1.7，则滚筒设计最大的许用应力为345/1.7=203MPa。由图11可知最大应力为198.92MPa，位于吊耳底端与吊耳旁的筋杆交汇角。由于小于最大许用应力203MPa，该滚筒强度符合设计要求。

3.4 吊装时快换式滚筒有限元分析

快换滚筒与常规滚筒的最大不同在于吊装工况，当筒芯通过吊车进行更换时，其受到的风载需要考虑进去。其风载大小根据上节理论计算取3865.05N，加载到模型中，约束面为吊耳的2个孔，通过Workbench分析可得到其应力和变形情况：由图12可得最大变形量为0.244mm，图13可知吊装工况下最大应力值为127.98MPa，位于筒身内径的半圆弧与吊耳旁的筋杆交汇角。由于小于最大许用应力203MPa，该滚筒强度符合设计要求。