帕尔曼式声波防蜡器振动弹片固有频率分析

2021-10-25朱岸昌陈声明刘家意金华春黄天成石应华

机电工程技术 2021年9期

朱岸昌，陈声明，刘家意，金华春，黄天成，石应华

（1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司孤岛采油厂，山东东营257231；2.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023）

0 引言

我国各油田所产原油，大多属于含蜡原油，据统计，含蜡量高于10%的原油约占全国原油总产量的90%，含蜡原油油井在开采过程中需要进行清防蜡作业才能维持正常生产[1]。目前针对含蜡油井的清防蜡方法主要有化学方法、物理方法及微生物防蜡方法3种类型[2-3]。各种不同类型的清防蜡方法在一定的时期和特定的环境下都起到了油井清防蜡的作用，但各种方法或多或少都存在一定的问题，声波清防蜡技术正是在这样的条件下产生的，超声波可以打断长链蜡分子结构，改变蜡晶形态，抑制蜡晶生长，有效地降低原油的黏度，且不易回复，从而能较大幅度地减小原油在管路中的流动阻力，在不污染地层的前提下减小原油管输过程中的能耗[4-7]。

超声波防蜡器有磁致伸缩式、压电晶体式及流体动力式等类型，由于电磁式和压电晶体式声波发生器结构复杂且需要较长的电缆将高频电脉冲输送到井下，导致其在使用时具有很大的局限性，流体动力式声波防蜡器是以井下高速流体作为动力源，具有结构简单、成本低及使用方便等特点，因此可以将其应用于井下含蜡原油的开采[8]。流体动力式声波发生器主要有哈特曼式、帕尔曼式及旋笛式等几种类型[9-10]，本文以帕尔曼式流体动力式声波发生器为研究对象，对其核心部件振动弹片的固有频率进行分析计算，为其结构改进提供理论支撑。

1 防蜡器结构及工作原理

帕尔曼声波发生器主要由上下接头、收缩喷嘴和振动弹片等零部件构成，其结构原理如图1所示。

图1 帕尔曼声波发生器结构原理

当一定压力的流体通过收缩喷嘴喷射之后，流体的速度将增大，高速流体在喷嘴两侧产生两串涡流，且涡流的旋转方向相反，由于旋转方向相反的涡流作用使喷嘴处的射流产生脉动性振动，从而带动振动弹片产生振动。射流脉动频率主要由射流速度和喷嘴的几何尺寸决定，振动弹片的固有频率主要由其几何尺寸及固定形式决定，当射流脉动性振动的频率与振动弹片的固有频率接近或相等时，振动弹片将产生共振，从而产生强烈的声波。

2 振动弹片有限元模型

本文以某型号的帕尔曼式声波发生器为研究对象，其振动弹片的结构如图2所示，为了方便研究不同结构尺寸对固有频率的影响，采用ANSYS APDL语言创建了其参数化几何模型。

图2 振动弹片几何结构

振动弹片所用材料的弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，材料密度为7 850 kg/m3。根据振动弹片的实际工作情况，对其4个支脚的上下表面进行全约束，然后采用单元Solid45进行网格划分，振动弹片约束施加及网格划分结果如图3所示。

图3 振动弹片网格划分及约束施加

3 振动弹片模态分析结果

在现有振动弹片结构及几何尺寸的基础上，本文主要分析振动弹片尖劈角度、长度、宽度和厚度的变化对其固有频率的影响。

3.1 尖劈角度对振动弹片固有频率的影响

在其他参数不发生变化的情况下，分别取尖劈角度为35°、40°、45°、50°、55°、60°及65°七种情况进行分析，分别提取前7阶固有频率，分析结果如图4所示。由图可知，随着振动弹片尖劈角度的增大，其各阶固有频率均有所减小，但是减小幅度不大，说明尖劈角度的变化对振动弹片的固有频率影响不大。

图4 不同尖劈角度下振动弹片各阶固有频率

3.2 长度对振动弹片固有频率的影响

在其他参数不发生变化的情况下，分别取长度为27 mm、30 mm、33 mm、36 mm、39 mm、42 mm及45 mm七种情况进行分析，分别提取前7阶固有频率，分析结果如图5所示。由图可知，随着振动弹片长度的增大，其各阶固有频率均有所减小，且阶数越大，减小的幅度也越大，因此振动弹片长度的变化可以作为调整其固有频率的一个因素。

图5 不同长度下振动弹片各阶固有频率

3.3 宽度对振动弹片固有频率的影响

由于宽度尺寸受防蜡器外形尺寸影响，最大不能超过38 mm，因此在其他参数不发生变化的情况下，分别取宽度为38 mm、36 mm、34 mm、32 mm、30 mm、28 mm及26 mm七种情况进行分析，分别提取前7阶固有频率，分析结果如图6所示。由图可知，随着振动弹片宽度的增大，其各阶固有频率均有所减小，且阶数越大，减小的幅度也越大，因此振动弹片宽度的变化可以作为调整其固有频率的一个因素。

图6 速度阶跃响应曲线Fig.6 Speed step response curve

图6 不同宽度下振动弹片各阶固有频率

3.4 厚度对振动弹片固有频率的影响

在其他参数不发生变化的情况下，分别取厚度为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm及4.0 mm七种情况进行分析，分别提取前7阶固有频率，分析结果如图7所示。由图可知，随着振动弹片厚度的增大，其各阶固有频率均有所增大，而且固有频率增加的幅度较大，且阶数越大，增加的幅度也越大，因此振动弹片厚度的变化可以作为调整其固有频率的一个因素。